[发明专利]一种带有超声虚拟触觉的混合现实系统

说明书

本发明公开了一种带有超声虚拟触觉的混合现实系统，包括头戴式光学设备、超声虚拟触觉设备、便携式数据处理终端；头戴式光学设备具有安装接口可以与超声虚拟触觉设备集成，其包括透明衍射式平显、虚拟图像产生单元、现实场景采集单元及辅助单元如通讯接口、电源管理等；超声虚拟触觉设备包括全透明超声相控阵、驱动单元、功率放大单元和阻抗匹配单元；便携式数据处理终端采取分立构架，通过无线网络连接头戴式光学设备和超声虚拟触觉设备，实现信息的双向通信、物理环境重、空间位置提取、虚拟图像生成与融合、声场参数计算等功能；本发明为混合现实系统提供了高柔性、非接触式的虚拟触觉实施方式，实现人体对再造环境视觉和触觉感知的同步。

技术领域

本发明属于混合现实相关技术领域，具体涉及一种带有超声虚拟触觉的混合现实系统。

背景技术

混合现实技术(Mixed reality,MR)是虚拟现实(Virtual reality,VR)技术与增强现实(Augmented Reality,AR)技术融合后的进一步发展，其通过合并现实和虚拟世界而产生了新的可视化环境，实现物理和数字对象共存，实时互动，同时在新的可视化环境里为用户提供交互反馈的信息回路，从而增强用户的真实体验。

目前这种技术大多使用头戴式光学设备(如hololens,magic leap等)将具有特定功能的图形增加到用户感知的视觉信息中(包括人眼看到的真实物理世界和计算机构建的虚拟世界)。当虚拟的功能图形生成后，用户可通过按键(真实或虚拟的)、手指或其他交互式设备对其操作，进行互动。然而当前的混合现实技术的研究和发展多着重于视觉感知方面，在与虚拟视觉交互过程中的触觉感知技术上的进展较为缓慢。用户不能感知不同操作的效果，交互方式缺少精确的互动性，用户的沉浸感不强。考虑到虚拟触觉在混合现实技术中不可替代的作用，其是唯一既可接收环境输入又可以对视觉信息输出的感知通道，可极大增强混合现实技术用户的体验效果，提升对当前视觉环境的认识效果。

触觉作为获取物体质地、纹理等信息的唯一信息通道，是人类认识世界的重要手段。目前，国内外实现对虚拟物体的触觉感知主要借助可穿戴设备，通过各种制动器与人体接触来模拟触觉信号。例如通过压电或静电振动器来改变接触面的摩擦系数，通过电磁或液压元件改变接触面的形貌。这些传统方法难以用于具有高开放性、高柔性虚拟对象的混合现实技术。近年来涌现的超声触觉反馈技术通过相控阵超声在空气中合成目标声场，利用声波的辐射力效应非接触地在用户皮肤表面产生震动触觉。超声触觉的实施，硬件上依赖于由多个压电式或电容式超声换能器组成的阵列，而现有超声换能器的光学特性决定其只能用于简单图像交互中，无法在不影响混合现实系统中光学设备的情况下得到应用。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种带有超声虚拟触觉的混合现实系统，解决混合现实技术中缺乏真实、可靠的信息双向传递通道，无法准确交互，用户缺乏沉浸感等问题，实现人体对再造环境视觉和触觉感知的同步，提升用户体验。本发明以光学全透明介电材料超声换能器单元为基础构建适用于混合现实系统的超声相控阵，从而方便地将超声虚拟触觉设备集成于混合现实系统中广泛应用的头戴式光学设备；超声虚拟触觉设备与计算机图像设备共享生成虚拟画面的空间位置，便于超声虚拟触觉设备根据图像特征设置各超声换能器单元的工作参数，在虚拟画面处生成目标声场；声场通过声辐射力的作用将虚拟触觉非接触地引于人体表面。整个系统具有结构紧凑、算法易于实现、高柔性、操作方便等诸多特点。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种带有超声虚拟触觉的混合现实系统，包括头戴式光学设备1、超声虚拟触觉设备2、便携式数据处理终端3；所述头戴式光学设备1具有安装接口能够与具有高透光性的超声虚拟触觉设备2集成；所述便携式数据处理终端3采取分立构架，能随身携带于用户的任意位置，通过无线网络与头戴式光学设备1和超声虚拟触觉设备2相连。