基于图像的多模式力触觉表达与再现方法研究

摘要

力触觉人机交互技术是虚拟现实中人机交互的重要组成部分，它通过模拟人类对真实物体的力触觉感知过程，将虚拟环境的力触觉信息真实地反馈给人，极大地提高了虚拟环境的交互性和临场感程度。而图形作为三维真实场景在二维照相机成像平面上的投影，保留了物体表面丰富的信息，因此图像的力触觉再现研究吸引了研究者们的广泛关注。随着虚拟现实技术在助盲、医疗、移动终端和特殊作业等领域的应用，基于图像的力触觉再现技术迎来了新的机遇与挑战。
　　本文围绕基于图像的力触觉表达与再现研究课题，从提高图像力触觉再现中图像特征的提取质量和力触觉感知的真实性出发，进行了图像多种触觉特征的提取及力触觉建模和图像的多模式力触觉表达与再现方法的研究。
　　本文首先从力触觉再现设备、力触觉建模及力触觉表达方法等方面对国内外基于图像的力触觉再现的研究现状进行了分析。在此基础上针对纹理力触觉再现需求，提出了基于分数阶微积分的图像纹理力触觉再现方法，采用分数阶微积分组合算法提取纹理特征，并建立基于人的视觉生理心理学特性的彩色图像纹理力触觉模型，通过力反馈设备将纹理的力触觉信息反馈给人，从而实现图像纹理的力触觉再现。
　　针对基于振动触觉表达图像纹理的局限性，采用简化的压电陶瓷触觉笔，进行了大量人的力触觉感知实验，对压电陶瓷致动器的驱动电压幅值、频率、调制波等振动特性进行研究分析，从而建立更具真实感的纹理振动触觉模型，实现了图像纹理的振动触觉表达与再现。
　　针对虚拟环境中物体的表面三维形状及材质（纹理）的力触觉感知容易混淆的问题，提出了图像的多模式力触觉再现方法，即提取图像的多种触觉特征并分别进行力触觉渲染，然后通过不同的力触觉表达方式进行图像的力触觉再现。本文通过多种图像处理算法提取了图像的三维几何形状、细节纹理及轮廓线三种特征，分别进行力渲染和振动触觉渲染，并在力反馈设备基础上设计了基于压电陶瓷的振动触觉再现集成装置，用于表达图像纹理及轮廓，通过人的力触觉感知实验证明图像的多模式力触觉再现方法能够有效提高力触觉感知的真实性。
　　为了增强移动终端的力触觉交互功能，提出了面向移动终端的图像多模式力触觉再现方法，即针对移动终端的特点，采用轻量化算法提取图像的三种特征，并分别建立力触觉模型，此外，设计了基于主动力反馈和压电陶瓷振动触觉反馈的力触觉笔，实现了面向移动终端的基于力触觉笔的图像多模式力触觉表达与再现。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 基于图像的力触觉再现技术研究现状

1．2．1 基于振动刺激的图像触觉再现

1．2．2 基于力反馈的图像力触觉再现

1．3 目前存在的主要问题

1．4 主要研究内容及论文组织结构

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 论文组织结构

2．1 引言

2．2 基于分数阶微积分的图像纹理特征提取

2．2．1 分数阶微积分概述

2．2．2 基于分数阶微积分组合的图像纹理提取算法

2．2．3 图像纹理提取实验及分析

2．3 彩色图像纹理的力触觉表达

2．3．1 彩色基础及彩色模型

2．3．2 彩色图像纹理的力触觉渲染

2．4 力触觉感知实验

2．4．1 实验图像及设备

2．4．2 实验方法

2．4．3 实验结果及分析

2．5 本章小结

第三章 基于压电陶瓷的图像纹理触觉再现

3．1 引言

3．2 基于压电陶瓷的触觉再现系统

3．2．1 基于压电陶瓷致动器的触觉笔

3．2．2 系统的工作原理

3．3 压电陶瓷致动器振动特性的研究

3．3．1 压电陶瓷致动器的工作原理及性能参数

3．3．2 驱动电压幅值与频率变化的触觉感知差异实验

3．3．3 驱动电压幅值与调制波变化的触觉感知差异实验

3．3．4 驱动电压调制波变化对振动强度影响的触觉感知实验

3．3．5 驱动电压幅值的振动强度分级触觉感知实验

3．4 基于驱动电压调幅的图像纹理的触觉表达

3．4．1 提取图像纹理高度和纹理周期的算法

3．4．2 图像纹理高度和纹理周期的触觉表达

3．5 纹理图像的触觉感知实验

3．5．1 实验图像及设备

3．5．2 实验方法

3．5．3 实验结果及分析

3．6 本章小结

第四章 基于Geomegic力反馈设备的图像多模式力触觉再现

4．1 引言

4．2 力反馈与触觉再现的集成设计

4．2．1 基于压电陶瓷的触觉再现装置

4．2．2 集成装置的工作原理

4．3 图像多种触觉特征的提取

4．3．1 图像预处理

4．3．2 图像三维几何形状及细节纹理特征的提取

4．3．3 图像结构轮廓线的提取

4．4 基于Geomegic力反馈设备的力触觉表达

4．4．1 图像三维几何形状的力觉表达

4．4．2 图像细节纹理及结构轮廓线的力触觉表达

4．5 图像多模式力触觉感知实验

4．5．1 基于压电陶瓷的触觉再现集成装置的纹理图像感知实验

4．5．2 基于力反馈设备和压电陶瓷触觉再现集成装置的纹理图像感知比较实验

4．5．3 图像的多模式力触觉感知实验

4．6 本章小结

5．1 引言

5．2 基于主动力反馈及压电陶瓷的力触觉笔的设计

5．2．1 力触觉笔的结构设计

5．2．2 基于力触觉笔的图像力触觉再现系统

5．3 面向移动终端的图像多种触觉特征的提取

5．3．1 图像三维几何形状及细节纹理特征的提取

5．3．2 图像结构轮廓线的提取

5．4 基于力触觉笔的力触觉表达

5．4．1 图像三维几何形状的力觉表达

5．4．2 图像细节纹理及结构轮廓线的力触觉表达

5．5 基于力触觉笔的图像多模式力触觉感知实验

5．5．1 两种力触觉笔的图像高度力触觉再现的比较实验

5．5．2 基于力触觉笔的5种力触觉交互模式的比较实验

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 论文主要创新点

6．3 未来研究展望

致谢

参考文献

攻读博士期间研究成果