基于触觉反馈的曲面造型方法及程序设计

摘要

虚拟现实技术的发展激励了相关领域的变革与进步，触觉反馈可以有效提高用户在虚拟环境下的沉浸感。本文将虚拟现实技术与计算机辅助设计相结合，基于OpenGL图形库和OpenHaptics软件开发包建立基于触觉反馈的曲面造型系统，为传统设计方法注入了新的活力。
　　首先，建立基于质点弹簧网格系统的曲面力学模型，并对于网格中离散的质点进行三角面片和NURBS曲面拟合，然后对质点系统进行外力作用下的动力学分析，采用欧拉方法求解系统的动力学常微分方程，得到曲面在外力作用下的动态变形过程。
　　其次，讨论基于代理点的虚拟环境下触觉反馈实现机制；分析触觉/图形双输出系统的硬件组成及软件开发工具；从操作便捷性及计算机辅助造型设计功能需求出发，基于窗口菜单指示模式，利用OpenGL的应用工具包 GLUT库函数，设计及构建造型系统人机交互操作界面。
　　再次，基于触觉反馈设备配套开发包 OpenHaptics的高级接口库 HLAPI，结合 OpenGL相关图形渲染技术，实现图形与力的同步实时输出，建立基本的图形/触觉双通道反馈系统；在对传统图形系统操作模式研究与继承的基础上，构建基于PHANTOM Omni触觉反馈设备的造型系统人机交互操作模式。
　　最后，通过强制重置质点弹簧系统的动力学模型，同时保留曲面变形后几何状态的方法实现曲面塑性变形，即对变形后曲面手动重建能量为零的平衡态质点弹簧网格模型；利用OpenGL图形库或 QuickHaptics快速编程接口构建有造型语义的虚拟造型工具来表征交互操作点；并通过基于触觉反馈的曲面造型实例检验和改进造型系统；探讨触觉造型系统在产品开发流程中的积极作用。

目录

基于触觉反馈的曲面造型方法及程序设计

SURFACE MODELING METHOD AND PROGRAM DESIGN BASED ON HAPTIC FEEDBACK

摘要

Abstract

目 录

绪论

1.1 本课题研究的背景及意义

1.1.1 课题背景

1.1.2 课题研究的意义

1.2 国内外在该方向的研究现状及分析

1.2.1 虚拟力交互硬件设备

1.2.2 曲面变形技术

1.2.3 虚拟触觉反馈交互技术

1.3 主要研究内容

第2章 触觉造型系统的曲面模型构建

2.1 可变形曲面力学模型

2.1.1 力学模型建模方法分析

2.1.2 可变形曲面力学模型受力分析

2.2 可变形曲面运动模型

2.2.1 可变形曲面运动模型分析

2.2.2 基于动力学模型的网格变形过程

2.3 可变形曲面几何模型

2.3.1 三角网格模型

2.3.2 NURBS曲面模型

2.4 本章小结

第3章 触觉式造型系统组成及界面设计

3.1 系统硬件组成

3.2 软件开发工具及触觉反馈原理

3.2.1 OpenHaptics开发包

3.2.2 OpenGL图形库

3.2.3 虚拟环境下触觉反馈的实现

3.3 系统操作界面设计

3.3.1 窗口菜单指示系统

3.3.2 显示模式

3.3.3 系统操作模式切换

3.3.4 预设力学模型

3.4 本章小结

第4章 触觉/图像双反馈系统功能设计

4.1 基于触觉反馈的曲面操作

4.1.1 传统操作模式

4.1.2 基于触觉反馈的操作模式

4.2 图形和力的实时同步渲染

4.2.1 图形渲染与触觉渲染的状态同步

4.2.2 触觉渲染优化技巧

4.3 本章小结

第5章 基于触觉反馈的曲面造型及实例

5.1 曲面的弹性及塑性变形

5.1.1 曲面弹性变形

5.1.2 曲面塑性变形

5.2 虚拟造型工具构建

5.2.1 造型工具构建

5.2.2 造型工具尺寸对曲面造型的影响

5.2.3 造型工具形态对曲面造型的影响

5.3 基于触觉反馈的曲面造型实例

5.3.1 曲面参数确定实验

5.3.2 面具造型实例

5.3.3 数字和字母形态造型实例

5.4 基于触觉造型系统的产品开发模式探讨

5.4.1 传统产品开发模式

5.4.2 触觉造型对产品开发模式的改造

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢