[发明专利]一种面向磁悬浮视触觉交互的多速率协同方法及系统

说明书

本发明公开了一种面向磁悬浮视触觉交互的多速率协同方法及系统，首先利用多射线对虚拟触觉工具进行建模，通过碰撞检测获得射线在虚拟场景的碰撞信息；然后将射线集合与碰撞信息集合做穿透检测计算，进而处理得到非穿透工具理想位姿；最后构建力学等效模型，实现六自由度触觉渲染力计算。系统包括视觉定位模块、物理仿真模块和触觉渲染模块；视觉定位模块负责跟踪用户操作，并构建用户操作到虚拟工具位姿的稳定映射；为协调系统多模块之间的运行速率差异，通过多速率协同并行方法，以共享内存双缓冲区的通信方式实现了系统多速率模块间的稳定、高效协同。本发明能够有效避免交互过程中工具的穿透视觉伪影，并提供稳定、真实的视触觉反馈。

技术领域

本发明涉及人机交互技术领域，具体涉及面向磁悬浮视触觉交互的多速率协同方法及系统。

背景技术

触觉是人类赖以探索世界的重要感觉通道。目前，许多途径可用以提供实体触觉，如振动[1]、机械[2]、磁悬浮[3]。目前广泛使用的Geomagic Touch的Phantom[2]触觉设备基于机械传动方式提供触觉反馈，交互过程中受到机械关节固有摩擦、惯性的影响，且操作空间有限。基于磁悬浮的非接触交互方式消除了机械交互方式中存在的固有摩擦，操作更加自由，具有广阔应用前景。但现有的触觉开发工具(如openHaptics触觉开发工具[4])均无法针对磁触觉设备使用，为此本发明基于磁悬浮触觉增强设备[3]，提出一种面向磁悬浮视触觉交互的多速率系统框架，该系统由视觉定位、虚拟场景物理仿真和触觉渲染三部分组成，各部分相互协同。

为确保视触觉交互过程中的视觉可信性，需构建真实可信的虚拟场景。本发明采用基于位置的动力学(Position based Dynamics,PBD)[5]作为虚拟场景的物理仿真方法。PBD相对于传统仿真中使用的有限元方法(Finite Element Method,FEM)[6-7]而言，计算效率更高、实时性更强、交互性更好。此外，与传统机械定位方式不同，设备采用视觉定位方式。因此，需构造面向磁触觉设备的定位数据映射算法。

在磁悬浮视触觉交互中，为避免虚拟工具穿透物体，并提供稳定真实的触觉反馈，触觉渲染算法至关重要，但针对磁悬浮触觉设备[3]，现有OpenHaptics[4]触觉开发工具无法直接使用，因此需建立面向磁触觉设备的具体触觉渲染算法。在计算机触觉研究早期，绝大部分触觉渲染算法是3-DOF(Degree of freedom)的，用户通过控制虚拟代理点与虚拟环境进行交互，生成3-DOF触觉反馈，经典方法包括god-object[8]，virtual proxy[9]，ray-based[10]等。以上3-DOF算法实现简单、计算效率高，但由于无法提供反馈力矩信息，适用场景有限。此后，随着触觉生成硬件不断发展，6-DOF触觉渲染算法得以出现，其以6-DOF形式记录虚拟工具运动轨迹，并且可同时提供反馈力、力矩，相较于3-DOF算法具有更高精度，但其计算复杂度往往较高。

在本发明中，考虑到所使用的磁悬浮触觉设备[3]的手持触觉接口为一根底部配置小磁铁的杆状工具，充分结合3-DOF与6-DOF算法各自的优点，通过对现有3-DOF基于射线的触觉渲染方法[10]的扩展，提出一种多射线触觉渲染方法，基于力系等效原理[11]，其不仅能提供6-DOF逼真触觉反馈，有效避免工具“穿透”，同时也满足触觉刷新频率的要求。

此外，在视触觉交互场景中，图形渲染的刷新频率一般为30Hz左右，但维持触觉渲染算法稳定需要1kHz以上的刷新频率[12]。传统的针对这一速率冲突的解决方法主要分为两类：一是通过降低物理仿真的计算复杂度，即提高物理仿真的计算速度来满足触觉更新频率的要求，典型方法包括模态分析[13]，形变预计算[14]等，但这种简化会对仿真的真实性与稳定性造成影响。另一类为多速率方法，通过将形变仿真和触觉渲染划分成不同更新频率的并行模块，高速率触觉渲染通过捕捉低速率形变仿真的瞬态值以计算触觉反馈[15-17]。本发明采用第二种方法，通过多线程并行技术实现系统不同模块间的多速率协同。

参考文献