一种基于代理重要性的多物理代理的触觉重定向方法

本发明涉及一种基于代理重要性的多物理代理的触觉重定向方法，属于虚拟现实、触觉反馈、人类感知领域。

背景技术：

1、虚拟现实技术(vr)通过计算机模拟生成多感官刺激并作用于用户。与此同时虚拟现实会接受用户的反馈从而实现用户与虚拟世界的互动。随着渲染技术的进步，通过头戴式显示器(hmds)呈现给用户的视觉体验变得越来越逼真，这种提升增强了沉浸感。然而当用户尝试触摸虚拟对象时，如果没有相应的物理对象提供触觉反馈，用户可能会有穿过了虚拟对象的感觉，这会干扰沉浸感。因此触觉反馈对于增强用户的沉浸感至关重要，因为它补充了视觉信息。然而，虚拟世界是动态且复杂的，往往难以复制与虚拟世界中相同数量和分布的物理对象。因此研究者提出了一种称为触觉重定向的技术，用于解决虚拟和物理对象之间的匹配问题。触觉重新定位方法利用了视觉在人类感知中的优势，通过将用户的真实手重定向到相应的真实对象来为虚拟对象提供触觉反馈，这是通过在虚拟空间和物理空间之间建立映射来实现的。然而为了避免虚拟手部与真实手部之间的偏移量随着交互次数的增多而不断累积而导致用户明显的感知到虚拟手部相对于真实手部的偏移，在每次交互之后用户需要进行重置操作来消除虚拟手部与真实手部的偏移。

2、之前的触觉重新定位方法可以分为两类。第一类方法侧重于静态虚拟场景。一些方法适用于只有一个物理代理的场景，当用户触摸虚拟场景中的虚拟对象时，它们将用户的手重定向到这个物理代理。还有一些方法适用于具有多个物理代理的场景，并在考虑物理代理和虚拟对象的分布或形状时选择一个代理来作为用户想要触摸的虚拟对象。第二类方法侧重于动态虚拟场景。它允许虚拟对象在虚拟世界中移动到其他位置，因此需要选择用于代表虚拟对象的物理代理，并确定放置物理代理的物理位置。但是仅使用简单的规则来指导代理的选择和放置，例如使用最近的物理代理来代表虚拟对象，并将代理放置在距离所有虚拟对象的距离之和最小的位置。由于上述方法没有充分利用物理代理和虚拟对象在场景中的分布关系，因此在选择物理代理和放置位置时存在一些不合理性，导致在用户互动过程中需要较多的重置次数，使得用户感到疲劳。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于代理重要性的多物理代理的触觉重定向方法，一个新颖的虚拟现实实时提供触觉反馈交互方法，能够利用从场景中跟踪获取的物体与操作者位置信息，以及当前场景中虚拟物体与物理代理的分布，为操作者确定最合适的物理代理或者代理放置位置，提供效率更高体验更好的具有触觉反馈的虚拟现实系统。为了能够解决上述问题，提出了一种基于代理重要性的多物理代理的触觉重定向方法，该方法能够支持多人协同或者单人操作使用触觉重定向系统，支持场景中存在多物理代理，并且允许虚拟物体的位置发生改变。本发明的方法通过提供更高效的具有触觉反馈的虚拟现实触觉重定向体验来提高用户使用的舒适度和真实感。本发明采用的技术方案如图3所示，包括步骤：

2、步骤1：获取虚拟场景中的虚拟物体与虚拟手部的位置，同时使用定位器获取现实世界中物理代理与真实手部的位置，将虚拟场景与物理世界对齐，从而使得虚拟手部与真实手部位置重合。之后实时更新虚拟物体，虚拟手部，物理代理以及真实手部的位置坐标；

3、步骤2：基于步骤1中获取的当前虚拟场景中的虚拟物体以及物理代理的位置计算场景参数：有效代理距离与重置区域半径，首先根据其分布情况计算出有效代理距离，之后再依据有效代理距离以及当前的重定向增益阈值计算出重置区域半径；

4、步骤3：由用户选中将要拿取的虚拟物体，根据所选中的虚拟对象，利用步骤1中的有效代理距离确定候选的物理代理，并为每一个候选物理代理计算代理重要性，选取代理重要性最低的候选物理代理作为当前虚拟物体的物理代理，之后使用触觉重定向方法将用户的虚拟手部和真实手部分别引导至虚拟物体和物理代理；

5、步骤4：在步骤3中用户的虚拟手部拿起虚拟物体(亦即真实手部拿起物理代理)后，由用户选中虚拟物体将要放置的位置，同时根据所选中的虚拟物体放置位置，利用步骤1中的有效代理距离确定物理代理的候选放置区域，之后利用一定大小的网格将候选区域离散化为一定数量的候选放置位置，并为每一个候选位置计算代理重要性，选定其中代理重要性最高的位置作为物理代理的放置位置，然后同样利用触觉重定向方法将用户的虚拟手部和真实手部分别引导至虚拟物体放置位置和物理代理放置位置；

6、所述步骤2中：场景参数计算算法具体实现如下：

7、步骤(1)首先计算有效代理距离。有效代理距离的定义是：使得满足距离小于有效代理距离的虚拟物体-物理代理的对数大于虚拟物体总数一定比例的最短距离。我们使用二分查找的方法寻找有效代理距离，不断缩小搜索范围直到搜索范围的大小小于预设的下限；

8、步骤(2)接下来计算重置区域半径，重置区域半径的定义是满足使得如果某次重定向操作增益超出阈值，那么该操作发生在重置区域里的概率大于某个预设的值的最小半径，同样使用二分查找的方式计算重置区域半径，验证某个半径是否满足条件时，取步骤(1)中计算出的有效代理距离作为虚拟物体和物理代理的距离，同时以虚拟物体和物理代理的中心为圆心，半径为待验证的半径作圆，并在圆上均匀取点，将每个采样点作为虚拟物体和物理代理可能的重定向终点，并判断每个采样点作为终点时本次重定向操作是否超出阈值，如果超阈值的采样点的数量超过了采样点总数的一定比例，则认为该半径值满足定义；

9、步骤(3)最终，当用户每次完成依次拿起-放置操作后，都需要更新场景中各个物体的状态，并根据最新获取的状态更新场景参数的值。

10、所述步骤3与步骤4中：代理重要性计算算法具体实现如下：

11、首先代理重要性是三个代理因素的加权和，首先是代理紧密度，代理紧密度是描述物理代理有效代理距离内的虚拟物体的数量以及距离物理代理距离之和的因素；其次重置概率是描述以当前物理手部与虚拟手部为起点，在当前物理手部与虚拟手部的中点为中心的重置区域内，下一次重定向操作发生重置的概率；最后代理惩罚项是当前重定向操作的增益值，增益值越大惩罚项越大，同时如果操作增益超出阈值，还会附加额外的惩罚；另外代理重要性的计算还可以扩展到多个用户的场景下，在该场景下虚拟物体可能具有不同的所属权，只有具有当前虚拟物体所有权的用户才能够移动该虚拟物体，针对这种情况，我们进一步提出加权代理重要性的计算方法，基础的代理重要性计算方法如上文所述，区别在于对于计算出构成代理重要性的每一个因素，会根据当前因素计算所涉及的虚拟物体的所属权以及相对于当前操作中的虚拟手部的位置乘上权重因子，具体来说不属于当前操作中用户的虚拟物体，如果位于当前以虚拟手部为中心的重置区域外，则乘以权重w1(0<w1<1)，而重置区域以内的乘以权重w2(w1<w2<1)，此外我们还会统计所有用户分别所属的虚拟物体的有效距离内的物理代理的数量，具有最多数量的用户所属的虚拟物体在计算中会被额外乘以权重w3(0<w3<1)。

12、本发明与现有技术相比的优点在于：

13、(1)本发明提出了两个场景参数的定义并实现了对场景参数的计算，通过引入有效代理距离与重置区域半径，我们有效的描述了虚拟物体与物理代理之间是否存在代理关系以及从下一步操作发生重置的概率，这两个参数可以作为决策的依据来优化重置次数，从而提高用户的交互效率。

14、(2)本发明提出了一种代理重要性的计算算法，通过定义三个组成因素：代理紧密度，重置概率以及惩罚项描述了一个物理代理对于针对某个虚拟物体对于整个场景的代理重要程度，根据次重要性值可以做出有利于减少用户重置次数的操作，从而提高用户的交互效率。

15、(3)本发明将重定向交互推广到多人参与的场景中，并根据多人交互的特性引入两个权重项，将代理重要性的计算方法进一步扩展，多用户操作时本发明可以明显减少每一位用户的重置次数，同时使得不同用户的重置次数相对均衡。