虚拟纹理力触觉再现及感知特性实验研究

摘要

纹理的力触觉再现技术是人机交互技术中研究的重点和热点。为了实现具有真实感的虚拟纹理力触觉再现，除了研制高性能的力触觉再现装置，更需要从使用者的角度，分析使用力触觉再现装置再现虚拟纹理的效果，了解触觉认知的内在机理，从而为建立符合人的力触觉感知特性的、具有真实感的纹理力触觉再现系统奠定理论基础。本文以国家自然科学基金课题为背景，基于通用的力触觉再现装置，进行了两个虚拟纹理力触觉感知的心理生理实验，研究了人的虚拟纹理力触觉感知特征，探索了影响人纹理力触觉感知的因素。
　　本文首先介绍了纹理力触觉再现技术的研究意义和发展现状。基于Phantom Omni力触觉再现装置，建立了一个可视化的虚拟纹理感知实验平台，用于人的纹理力触觉感知特性的实验研究。
　　实验一研究了纹理空间周期和人的探索速度对虚拟纹理力感知差别阈限(JustNoticeable Difference，JND)的影响。实验结果表明：(1)纹理力感知JND受纹理空间周期影响显著，且随纹理空间周期的增大而减小。(2)当纹理空间周期小时，使用低速可以获得较小的纹理力感知分辨率。(3)人在规定探索速度下的纹理力感知JND和习惯探索速度下的纹理力感知JND进行比较，说明人在习惯探索速度上不一定具有最佳的纹理感知分辨率，还与受试者自身的感知习惯和心理状态有关。
　　实验二用多维尺度(Multidimensional Scaling，MDS)方法对虚拟纹理的主观感知空间进行了分析，旨在探索什么是纹理力触觉感知、人对虚拟纹理的主观评价特征有哪些、虚拟纹理的主观评价特征与客观纹理控制参数之间的映射关系如何等问题。实验结果表明：(1)基于点接触力触觉再现装置的虚拟纹理感知，可以建模成维数小于等于3的纹理感知空间。(2)二维纹理感知空间的两个维度可解释为纹理空间周期和纹理刚度系数，三维纹理感知空间的前两维含义与二维感知空间相同，第三维没有找到合理的解释。(3)受试者对纹理样本的主观评价特征可归纳为粗糙度、硬度、疏密度、平坦度。最后建立了主观评价特征(粗糙度、硬度、疏密度、平坦度)与客观纹理参数(纹理空间周期、纹理高度、纹理刚度系数)的回归模型，分析了主观评价特征和客观纹理参数的相关性。