[发明专利]基于融合静电力与振动触觉再现装置的3D凸起渲染方法

说明书

本发明涉及一种基于融合静电力与振动触觉再现装置的3D凸起渲染方法，属于虚拟现实与人机交互领域。根据深度图像获取深度信息，通过建立的心理物理模型用振动渲染法向的轮廓感；并由深度值计算梯度信息，根据建立的心理物理模型及IP0.625转换方法用静电力渲染切向凸起的轮廓变化，通过这种基于深度图像的3D凸起渲染方法对轮廓信息进行呈现。本发明根据深度图像的深度信息建立映射关系，能够实现同时对手指切向力和法向力的渲染，有更加真实的三维触觉再现效果。

技术领域

本发明属于虚拟现实与人机交互领域，尤其涉及一种基于融合静电力与振动触觉再现装置的3D凸起渲染方法。

背景技术

触摸屏已经被广泛的应用到手机、平板电脑、电视、阅读器等多种商业化智能终端，成为我们生活中不可或缺的一部分。然而人们与触摸屏的交互过程主要依赖于视觉和听觉感知通道却缺少触觉感知通道，这导致视听觉通道负荷过载而触觉作为人的重要感官未被启用。触觉反馈可以提高用户在触摸屏上的手势交互性能，增强用户在互联网购物、电子游戏、教育教学方面的交互真实感与丰富性。利用裸指触摸多媒体终端屏幕来真实自然地感知被显示物体的轮廓、纹理以及颜色等多种感官属性，实现丰富逼真的触觉再现，会将触觉再现领域的发展推向一个崭新的阶段。

目前，已经有一些实现触觉再现的方法与装置。

中国专利“一种基于静电力触觉再现的装置”(申请号201210143828.3)、中国专利“一种基于开关阵列的多点静电力触觉再现装置及方法”(申请号201510202085.6)公开了一种基于静电力触觉再现的方法与装置，通过静电力原理调节用户的手指和触摸屏之间的摩擦力。论文“触摸屏表面3D特征的触觉渲染”提出了一种触觉渲染算法，将渲染对象的局部梯度映射到侧向摩擦力，创建3D凹凸感知，用于模拟触摸屏表面上例如凹凸等三维几何特征。论文“面向视频感知的静电力触觉渲染方法”中提出一种面向视频感知的静电力触觉渲染方法，该方法基于像素点的视频帧处理算法，利用像素点色调分量来映射静电力激励信号频率参量,结合像素点亮度和饱和度分量来映射静电力激励信号幅度参量,实现对实时视频的触觉渲染和感知。

中国专利“一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置与方法”(申请号201710402135.4)及中国专利“一种面向移动终端的摩擦力触觉再现系统及再现方法”(申请号201710242375.2)公开了一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置与方法。基于空气压膜效应的摩擦力再现装置在显示设备上施加高频振动产生空气薄膜,通过调节振动的频率和强度调节摩擦系数,进而改变手指的受力,使操作者感知触觉纹理。但是基于空气压膜原理的实现装置屏幕上各处触觉感受强度不一致，在算法上较难处理。

振动触觉再现的应用比较广，比如智能手机、ARVR手柄等都有振动触觉反馈。例如中国专利“基于高压电特性陶瓷材料的振动装置”(专利号201620476481.8)公开了一种基于压电陶瓷实现的振动触觉反馈装置。论文“利用振动刺激叠加的尖锐触觉线性显示”提出一种振动触觉显示器，通过不同相位振动触觉的叠加方法，实现了较强的局部触觉图像感知。论文“用于可变摩擦表面显示的触觉纹理空间谱图建模与合成”中提出一种利用纹理建模来实现纹理再现的方法，通过纹理集合来实时渲染合成振动信号完成纹理信息的再现。

上述单一的触觉再现装置与方法具有一定的局限性，静电力和空气压膜触觉再现方式只能提供切向力，并且手指必须处于滑动状态才能有触觉反馈，其中静电力只能起到增大摩擦的效果，空气压膜触觉再现方式只能起到减小摩擦力的效果；振动触觉再现方式只能提供法向力，并且振动反馈触感单一。上述的触觉再现方法包括对虚拟物体局部触觉纹理，表面凸凹轮廓，图案形状与颜色的渲染，但是所述的方法都是对虚拟物体单一感知属性的单一触感再现，如果能同时实现对虚拟对象的多维度触觉渲染将会达到更真实的虚拟对象再现效果。

为了突破单一触觉再现方式的局限性，达到更真实的触觉再现效果，一些研究将其中两种触觉再现方式进行融合。