[发明专利]一种基于三维网格模型的超声空中触觉渲染方法

说明书

本发明涉及一种基于三维网格模型的超声空中触觉渲染方法，属于人机交互，虚拟现实领域。采用网格模型的方式以完成手部超声聚焦点的定位以及三维图形的局部特征的描述，三维模型的网格顶点通过特定软件获得三维坐标，根据手指关节坐标以及手掌平面与三维图形网格顶点的距离信息，完成对手部超声聚焦点的定位，并对三维图形的棱和顶点等位置采用不同的强度和频率进行超声聚焦，完成对三维图形局部特征的渲染。优点在于将手部分成手指和手掌两部分，分别进行超声聚焦，对三维图形的棱和顶点等位置采用不同的强度和频率进行超声聚焦，完成对三维图形的局部特征的渲染，提高用户对三维图形的识别率，进一步提高三维图形的真实度。

技术领域

本发明属于人机交互，虚拟现实领域，具体涉及一种基于三维网格模型的超声空中触觉渲染方法，能够通过超声触觉完成对三维图形的渲染，提高三维图形的真实度。

背景技术

随着人机交互技术的发展，各种以人为中心的高效自然的人机交互方式相继出现，与此同时，在人机交互过程中的多种感知反馈也随之发展。

在人机交互过程中，用户时常需要通过各种感知反馈来进行操作引导或者增强用户的体验，比如：初次使用软件时，使用文字或语言进行引导；玩游戏时，使用振动和声音增强沉浸感。随着科学技术的发展，人机交互渐渐从二维平面交互向三维空间交互过渡。在三维人机交互中，随着视觉和听觉反馈技术的不断成熟，人们着手探索触觉反馈，目的是进一步增强三维人机交互的便利性和沉浸感。在三维触觉反馈的研究中，由于接触式触觉反馈方法(在人体上额外附加的设备，如机械臂，手套等)在人体的自由运动方面存在限制，并且在使用过程中容易产生不舒适感，人们渐渐将研究目标放在非接触式触觉反馈方法上。目前存在的几种非接触式触觉反馈方法有空气式触觉反馈 (AIREAL)、激光式触觉反馈和超声触觉反馈等。由于空气式触觉反馈精度较低且不能精准控制、激光式触觉反馈容易被人体或障碍物遮挡，超声触觉反馈逐渐成为非接触式触觉反馈的主要方式，并且该方式已经在生活中得到了初步应用，例如在VR中加入了超声触觉反馈，提升了用户的体验，增加了交互的趣味性，在汽车上，应用超声触觉反馈，加入虚拟按钮，替代实体按钮，增加了车内驾驶空间，并且使用户对汽车的控制更加方便，增加了用户驾驶的乐趣。

目前国际上存在针对超声触觉反馈的研究主要有日本的东京大学团队和英国的布里斯托尔大学团队。其中日本东京大学团队Iwamoto T团队在2008年首次公开了一种基于超声波辐射压力的定点触觉反馈设备，之后又陆续该超声波传感器阵列触觉反馈设备进行了更新，并将其命名为AUTO，该设备能够实现空间中的动点触觉反馈。

另外英国的布里斯托尔大学团队发布了一款超声波传感器阵列设备，并将该触觉反馈设备命名为UltraHaptics，该设备同样利用超声波辐射压力的原理，并且同时与LeapMotion相结合，最终实现了实时的空中多点触觉反馈，并且提出了一种三维物体的超声触觉渲染方法，该方法通过获取手掌面和三维物体表面交叉时的曲线，并对该曲线位置进行超声触觉刺激，通过这种方式使用户能够完成对三维图形轮廓的感知，进而完成对三维图形的识别，但是该方法产生的触觉效果，过度依赖视觉辅助(即用户需要通过屏幕观察到三维图形)，当用户屏蔽视觉辅助，仅凭借超声触觉进行感知时，用户对三维图形的识别率并不高，该方法没有对三维图形的棱，顶点等局部位置进行特殊描述，以至于在三维物体的真实度方面有待提升。

中国专利“一种基于超声波聚焦的触觉反馈系统及方法”(公开号105426024A)公开了一种三维多点触觉反馈系统，具备手部位置检测、非接触触觉反馈、多点触觉反馈等功能，其核心是三维超声波阵列定位和高精度超声波聚焦技术。该方法对系统的整体结构进行描述，并通过计算得出的驱动信号延迟时间，然后通过聚焦电路进行控制，最终产生触觉反馈。此方法描述了三维超声阵列和高精度的超聚焦技术，但在次技术的基础上，如何通过超声阵列和手部位置检测的结合，来控制超声聚焦点并没有介绍，并且通过控制超声聚焦点完成对三维图形超声触觉描述的具体方法并没有提出。