[发明专利]一种基于指套式装置的虚拟物体三维形状再现方法

权利要求书

1.一种基于指套式装置的虚拟物体三维形状触觉再现方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，利用指套式力触觉交互装置在移动终端触摸屏上触摸具有三维形状的虚拟物体，移动判断指套式力触觉交互装置在移动终端触摸屏上的移动方向，并检测接触点物体图像高度；指套式力触觉交互装置的指腹及指端两侧位置分别设置有振动单元；

步骤2，计算局部梯度并用于振动位置、振动频率和振动节奏的编码，包括如下子步骤：

步骤2-1，结合图像高度信息计算手指运动方向下物体图像的局部梯度；具体包括：

首先通过下式计算虚拟物体3D高度的梯度：

其中，h(x,y)是图像高度信息，i，j为与x轴、y轴方向相同的两个单位向量；

然后读取移动终端检测手指在触摸屏上的运动方向：

其中P_i表示在时刻t_i手指的位置向量；

最后通过3D高度的梯度和手指运动方向的向量积计算接触点的局部梯度：

其中，表示局部梯度，θ_i表示两个向量之间的夹角；

步骤2-2，根据梯度方向判断手指接触位置及物体图像类型；具体包括：

当局部梯度值为0时，判断为平面图像，此时指腹部与物体接触；当局部梯度方向为负时，判断为曲面或斜面图像且手指运动方向图像斜降，此时手指与运动方向相反一侧与物体接触；当局部梯度方向为正时可判断为曲面或斜面图像且手指运动方向图像斜升，此时手指与运动方向相同一侧与物体接触；

步骤2-3，根据物体图像类型和梯度大小将虚拟物体信息映射至指套式力触觉交互装置，具体包括：

判断为平面形状时，将平面物体高度映射为指腹部振动幅度；判断为曲面或斜面物体时，将曲面图像梯度大小映射为手指接触一侧的振动节奏，当梯度非零且保持不变时，判断为斜面物体，此时手指接触一侧振动节奏保持不变；

步骤3，控制振动指套上振点的位置、指腹部振点的振动幅度以及指端左右侧振点的振动节奏。

2.根据权利要求1所述的基于指套式装置的虚拟物体三维形状触觉再现方法，其特征在于，所述步骤1中的移动方向根据如下方法得到：触摸屏表面检测接触点位置，并根据一定时间间隔后接触点位置变化来判断手指移动方向。

3.根据权利要求1所述的基于指套式装置的虚拟物体三维形状触觉再现方法，其特征在于，读取移动终端检测手指在触摸屏上的运动方向时，在移动终端触摸屏具有低空间分辨率的情况下，计算V_i的平均值。

4.根据权利要求1所述的基于指套式装置的虚拟物体三维形状触觉再现方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

当判断为平面形状，控制指腹部振动单元按照下式得出的振动幅度进行振动：

D＝k₁×h

其中，D为振动幅度，k₁是非零比例因子，为最大振动幅度与接触点图像最大像素高度的比值；

当判断为曲面或斜面时，控制指端接触一侧的振动单元按照下式得出的振动节奏进行振动：

其中，R为振动节奏；k₂是非零比例因子，为最大振动节奏与最大局部梯度的比值。

5.根据权利要求4所述的基于指套式装置的虚拟物体三维形状触觉再现方法，其特征在于：所述振动单元为压电致动器，对于指腹部压电致动器，在一定的电压范围内增加电压值来增加振动幅度表达平面物体高度信息；对于指端两侧压电致动器，通过调节方波周期以改变左/右侧振点振动节奏来表达图像弯曲程度信息。