[发明专利]基于纹理触觉再现的学习和认知系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种学习和认知系统，尤其涉及一种基于纹理触觉再现的学习和认知系统，用于视力障碍人群及学龄前儿童对文字图像信息进行学习和认知。

背景技术

作为新兴的人机交互技术，触觉再现受到人们越来越多的重视。触觉再现技术借助于触觉再现设备和计算机仿真环境使得操作者可以触摸、感知和操纵虚拟物体。现有的触觉再现方法主要有：基于力觉再现的触觉再现、基于阵列装置的触觉再现、基于摩擦力控制的触觉再现。

力觉再现设备主要是设计用于实现人机交互过程中的作用力反馈。操作者使用力觉再现设备与虚拟物体交互作用时，力觉再现设备可以阻止操作者的运动以避免穿刺交互。因而，有研究者们使用力觉再现设备来再现虚拟物体的形状、纹理等表面特性。这种方法的优势在于无需另外设计用于触觉再现的装置就可以在力觉再现的基础上增加触觉再现。但缺点也不少：现有的力觉再现设备笨重昂贵、所提供的操作范围有限，且触觉再现性能受到很多因素的影响。

早期的触觉再现设备大多采用阵列的方法，它们的设计灵感来源于点针式打印机和盲文系统，即用二维阵列装置来刺激操作者皮肤，以形成反映物体表面触觉特性的空间作用力分布。然而，阵列式的结构由于制造工艺和阵列的规模限制，除了难以实现小型化和便携化外，也难以获得较为精细点的虚拟触觉再现。加拿大McGill大学的Haywardy等通过压电陶瓷驱动的、可侧向移动的探针阵列使操作者手指皮肤产生形变来获得触觉再现。他们的“LATERO”装置阵列规模为6×10，具有较高的空间分布率（1.8×1.2mm）。

研究表明，人类在进行触觉感知的时候，手指感受到的空间分布的侧向作用力，对于提高纹理识别具有重要的作用。因此，基于摩擦力控制的触觉再现方法成为触觉再现装置的一个研究热点。基于摩擦力控制的触觉再现方法，虽然是通过交互界面上侧向作用力场的变化来表达触觉信息，但该方法却是最有潜力的方法，可以适用于表现更为精细的虚拟触觉再现。

现实生活中，盲人主要是通过触觉听觉来感知周围世界，现有的可供盲人阅读的书籍有盲人书籍和有声读物。盲人书籍是用专门的盲文编写的，成本高、体积大、种类少、对于图像等更丰富的信息表达能力差，且盲人对它们的需求量较小。盲人在使用有声读物时需要外人的辅助，因为读物是有声的，因而在使用过程中它不能很好的保护盲人用户的隐私，且对于图像的表达效果同样不尽如人意。儿童在早期教育过程中使用的阅读工具一般也未能实现很好的人机交互，他们只能对一些事先输入工具的固定文字图片进行学习和认知，且对于很多图片信息不能产生直观的认识。借助于触觉再现系统，对于盲人而言，它能够提供听觉系统无法实现的功能：通过触觉再现体现物体的表面纹理特征，可以让他们获得宝贵的感性体验。对于正常人（如学龄儿童）而言，在计算机生成的虚拟环境中，通过生成虚拟触觉信息，可以让他们获得通常无法接触或不便于接触的物体的触觉表面特性。如果结合传统视觉，他们可以获得更加丰富的人机交互体验。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有触觉再现设备的不足，提供一种基于纹理触觉再现的学习和认知系统，用于视力障碍人群及学龄前儿童对文字图像信息进行学习和认知。

本发明的基于纹理触觉再现的学习和认知系统，该系统包括触觉再现模块、驱动模块、手指位置检测模块以及主控模块；所述触觉再现模块包括一块透明触觉面板以及可使该触觉面板产生不同幅值振动的振动装置；所述驱动模块分别与主控模块及所述振动装置连接，根据主控模块的指令驱动振动装置产生振动；所述手指位置检测模块用于检测手指在触摸所述触觉面板时的位置信息，并将位置信息传输给主控模块；主控模块对外部输入的图像进行纹理特征提取，并根据提取的图像特征及手指位置检测模块检测到的位置信息进行解算，产生相应的控制指令控制所述驱动模块驱动振动装置产生振动。

作为一种改进方案，所述触觉再现模块还包括设置于所述触觉面板下方的显示装置，外部输入的文字图像可以同步在该显示装置上显示，更适合于学龄前儿童的学习和认知。

作为另一改进方案，该系统还包括与所述主控模块连接的图像采集装置，该图像采集装置可以是现有的摄像机、数码相机、摄像头等，从而可直接从外部获取图像信息。

作为一优选方案，所述振动装置为压电材料振动片；进一步地，所述压电材料振动片有四片，分别设置于所述触觉面板的四角。

作为另一优选方案，所述手指位置检测模块包括与所述主控模块连接的光学传感阵列，以及光源；所述光学传感阵列为两列光电二极管，分别设置于所述触觉面板两对边外侧。