[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

说明书

本发明公开了一种基于指套式装置的虚拟物体三维形状触觉再现方法，包括：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；计算局部梯度，根据梯度方向判断手指接触位置及物体图像类型，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；控制振动指套上振点的位置、指振动频率以及振动节奏。通过产生与虚拟物体三维形状信息、手指与虚拟物体接触姿态信息相一致的分布式触觉刺激反馈给操作者，从而模拟人手以不同姿态接触不同形状虚拟物体时所产生的触感，提供使用者良好的触觉交互体验。

技术领域

本发明涉及力触觉再现算法技术领域，涉及物体三维形状再现方法，更为具体的说是涉及一种可用于移动终端的指套式力触觉交互装置的物体三维形状再现算法。

背景技术

移动终端作为迅速发展的个人计算与通信系统，近年来进入智能化发展的阶段。移动终端交互方式目前主要集中在视听觉交互，能提供的力触觉交互有限。将力触觉交互技术应用于移动终端能够拓宽移动终端的功能和应用范围，扩大受众人群(如视听障碍者)，增强交互临场感，具有广阔的应用前景和市场价值。

用于移动终端的力触觉形状再现方法主要分为三类。第一种再现算法对移动终端的触摸屏表面施加超声波振动，使得用户手指和屏幕之间产生空气薄膜，控制滑动摩擦力再现虚拟物体形状。例如，Ali Israr等人将物体在接触点的局部斜率映射到手指与触摸屏的摩擦力，从而实现对虚拟物体三维形状力触觉再现，该再现算法已经运用在博物馆里并且以及运用在博物馆中用于帮助游客感受古生物化石。第二种算法通过给移动终端屏幕施加高直流电压，在用户的手指和触摸屏上之间产生静电力，并将静电力刺激映射到三维形状特征。例如，Byung-Kil Han等人在手指和屏幕之间建立了基于电振动的触觉反馈模型，该再现算法以及应用到电子图书馆和盲文等领域；吉林大学提出了基于横向力的静电力触觉再现算法，将按压物体的横向力映射到手指与触摸屏之间的静电力从而感受物体的三维形状。这种展现虚拟物体三维形状的再现算法容易实现、成本低、便于操作，但只能提供切向的力反馈，无法提供操作者真实的触感。第三类再现方法是使用穿戴式装置穿戴于手指上对触摸屏显示的物体进行形状再现。例如，意大利TeCIP研究所研制了一套用于再现三维形状的可穿戴指套式力触觉反馈设备。该设备通过伺服电机驱动的机械结构再现虚拟物体表面的凹凸方向，同时用音圈电机产生的振动刺激模拟接触物体表面时的触感。但是当前的使用穿戴式装置再现虚拟形状方法缺少对人手交互状态(如手指探索方向和运动状态)的考虑导致触觉反馈效果不够真实，并且大量实验发现人对振动位置和振动节奏敏感，而对强度的变化不敏感。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于指套式装置的虚拟物体三维形状触觉再现方法，采用将形状以及接触状态与振动位置和节奏关联起来的方法，将振动客观特性与人手主动感知特性结合，借助外置式指套力触觉交互装置以真实再现物体三维形状。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于指套式装置的虚拟物体三维形状触觉再现方法，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

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；

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；

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；

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。