[发明专利]基于力觉计算的虚拟手稳定抓取方法

说明书

技术领域

本发明涉及虚拟手运动建模领域及虚拟手抓取领域，尤其涉及一种基于力觉计算的虚拟手稳定抓取方法。

背景技术

目前，虚拟手交互技术作为虚拟现实技术的重要组成部分，是实现自然高效的人机交互所必须的一种新型的人机交互；虚拟手交互技术的核心是强调人通过虚拟手与虚拟环境进行交互操作，用户通过相应的软硬件设备对虚拟手进行实时操控，并与虚拟环境中的物体进行交互，复制人手的真实感受，模拟人手的真实动作，给人一种沉浸其中的真实感觉。在此过程中，交互操作的实时性、准确性与真实性都直接影响着用户交互体验的沉浸感与真实感。虚拟手交互技术是一门多学科交叉的新技术，涉及到虚拟手建模技术、虚拟手三维位置跟踪技术、虚拟手手势动作采集技术、虚拟手变形技术等，随着计算机科学技术的高速发展，虚拟手交互技术将具有更广阔的应用前景，目前已经在游戏娱乐、工程仿真、军事演戏、医疗模拟等很多领域都发挥着重要作用。

虚拟手抓取交互可以使虚拟手与虚拟场景中的三维物体之间发生实质性的交互，更逼近真实世界中的人手和物体的真实交互，而且如果将日常生活中获得的经验技能直接应用到虚拟手与虚拟场景的交互过程中，不仅可以增强交互的真实性，还将大大提高计算机的可操作性。

近年来，无论是在游戏娱乐领域，还是在医疗领域，都急切需要真实高效的虚拟手抓取交互建模技术。传统的抓取算法存在真实感不足或实时性差等缺陷，而且很难实现稳定抓取，也就模拟不出真实人手的抓取效果。因此，如何在实时性的前提下模拟真实感很强的具有稳定抓取特性的虚拟手交互技术是虚拟手技术研究的重要课题。

公开号为102930599A的专利文献提出了一种基于双四元数的手运动的三维模拟方法，包括如下步骤：(1)输入待建模的虚拟手网格模型及其对应的运动骨骼模型；(2)确定虚拟手网格模型中各顶点初始位置以及各顶点的法线；(3)计算运动骨骼模型中每个关节点的双四元数；(4)针对虚拟手网格模型中每一个顶点查找与其相绑定的骨骼所对应的双四元数并赋以各自的权重值，再计算线性混合后的双四元数；(5)单位化线性混合后的双四元数；(6)计算所有顶点变形后的顶点位置及法线，对手进行三维模拟。该专利文献通过计算单位化线性混合后的双四元数，重新计算顶点变形后的位置和法线并对手进行三维模拟，使虚拟手具有更强的运动及视觉真实感，避免了裹糖纸、塌陷等现象。

然而该问题未解决虚拟手抓取物体的变形问题。在此基础上，如何进行虚拟手的物体抓取的模拟成为需要解决的问题。

发明内容

本发明方法利用具有实时性与稳定性的双四元数蒙皮算法驱动人手运动，并利用OpenCCD碰撞检测算法实时检测整个抓取过程，最后快速求和算法提高整个匹配与抓取的实时性。

本发明提供了一种基于力觉计算的虚拟手稳定抓取方法，包括如下步骤：

步骤1，输入模型信息，包括虚拟手网格模型以及对应的运动骨骼模型；

步骤2，由模型信息获取一次三维规则网格，并构建虚拟手耦合模型；

步骤3，驱动虚拟手耦合模型运动，利用碰撞检测算法实时检测虚拟手耦合模型中的柔体部分是否发生碰撞，在碰撞时记录碰撞过程中柔体部分的位移差以及碰撞完成时刻虚拟手耦合模型的姿态，根据位移差计算柔体部分的软硬度参数并进入步骤4；

步骤4，根据软硬度参数以及一次三维规则网格得到抓取稳定时的二次三维规则网格；

步骤5，通过自由变形算法将二次三维规则网格传递给处于碰撞完成时刻姿态的虚拟手耦合模型，即得到抓取稳定的虚拟手。

步骤1中的虚拟手网格模型、对应的运动骨骼模型以及步骤2中的一次三维规则网格通过蒙皮算法进行绑定构成虚拟手耦合模型。

根据人手的解剖结构以及运动学分析，本发明将人手结构进行了简化，将手部骨骼简化为20块，不仅具有运动真实感，还易于操作，利用蒙皮算法把两者结合在一起仿真人手运动。

在碰撞发生前，一次三维规则网格随着整个虚拟手耦合模型运动而运动。

所述一次三维规则网格通过对柔体部分进行光栅化处理得到，其中，柔体部分为虚拟手网格模型中手掌内侧手指部分。

本发明模拟的是手指的抓取，对于抓取物体，只有手掌内侧的手指面才会与物体接触。因此，本发明把虚拟手网格模型中掌侧手指部分（即手掌内侧手指部分）看作柔体部分，该部分能完成对物体的稳定抓取，并根据抓取力度的大小，实现与物体接触面的形状匹配。