三维实验中的虚拟手仿真与受限交互研究

摘要

虚拟实验平台是虚拟现实的一项重大应用，虚拟手仿真技术也是虚拟现实的一类重要研究领域。虚拟实验平台中的物体形状规则，多处于受限交互中，需要更有针对性的碰撞交互和更全面的运动控制方法。此外现有的运动控制方法尚不能较好地得到控制结果的效果体现，需要能体现真实性并满足实时性的仿真方法。本文围绕着虚拟实验平台中的虚拟手受限交互和仿真展开研究。 本文定义了抓取和按下这两种特定的交互动作及判定方法，通过手部接触点和物体的相对位置使用几何方法和物理方法进行二次判定。同时，采用基于碰撞触发和回溯的方式实现虚拟手的交互控制，解决了交互穿透和虚拟现实交互不同步的问题。其次，对于现有的自由交互方法进行了扩展，推导出同时适合于受限交互的一般方法。随后参考虚拟实验平台中的一般交互类型后，将交互方法具体分类为适用于按钮、滑动钮和旋钮三类并特化受限运动方程。此外根据神经网络进行人手部惯用力的规则学习，以实现准确真实的手指力修正和运动控制。最后，为将运动控制得到的手指力学结果真实反馈出来，使用肌肉肌腱仿真方法。提出更符合实时性操作的肌肉肌腱模型和简化的肌肉肌腱控制方法，并对结果进行修正，从而尽可能地摆脱人为控制，实现自由而实时的表现方式。 本文最后以上述方法为基础，在三维虚拟实验平台中进行虚拟手的受限交互的模拟仿真和结果分析，证明了方法对虚拟手交互的正确控制，满足了系统对虚拟手交互的真实性、实时性的要求。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 本文研究工作

1.4 组织结构

2 碰撞交互研究

2.1 交互动作定义

2.1.1 按下动作定义

2.1.2 抓取动作定义

2.2 碰撞处理方法

2.2.1 手部包围盒结构

2.2.2 碰撞回溯

2.3 本章小结

3 物体运动控制研究

3.1 受限运动控制

3.2 特化运动控制

3.2.1 按钮运动控制

3.2.2 滑动部件运动控制

3.2.3 旋转部件运动控制

3.2.4 受限运动控制求解

3.3 基于RNN的手指用力规则学习

3.3.1 RNN与LSTM

3.3.2 网络描述

3.3.3 运动控制修正

3.4 运动控制算法描述

3.5 本章小结

4 肌肉肌腱仿真研究

4.1 肌肉肌腱模型

4.1.1 肌肉肌腱渲染模型

4.1.2 strand数学模型

4.2 肌肉肌腱控制

4.2.1 肌肉力计算

4.2.2 肌肉肌腱控制方程

4.2.3 约束修正

4.3 仿真算法描述

4.4 本章小结

5 结果与分析

5.1 实验场景交互流程

5.2 实验场景展示

5.3 方法数据分析

5.3.1 运动控制

5.3.2 神经网络

5.3.3 肌肉肌腱仿真效果

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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