一种双交互触点力触觉生成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种力触觉方法，尤其是一种双交互触点力触觉生成方法，属于计算 机图形学、人机交互和虚拟现实力触觉再现技术领域。
【背景技术】
[0002] 目前，力触觉生成方法大多数是单交互触点的交互，即使有双交互触点的交互操 作，双交互触点交互的力触觉生成还需深入研宄。
[0003] G.Huang基于PHANTOM力反馈交互设备，完成了 一个声触觉仿真系统的开发，将一 块织物四边固定，通过力交互设备控制一直刚性笔在虚拟空间中去触碰织物。通过外部触 觉交互设备和音频设备，可以感受到笔在虚拟织物表面上划过时的触觉刺激和摩擦声音， 是单交互触点的交互和力触觉渲染。秦聪研发出单交互触点的虚拟织物力触觉交互系统， 该系统借助PHANToMOmni力触觉交互设备，让用户在接触虚拟织物过程中，既能通过触觉 交互设备感受织物的触感，又能在显示器上看到织物的实时形变，也是点交互触点的交互 和力触觉植染。GuidoBottcher开发出HAPTEX系统，通过研发一个中间层设备，可以让用 户实现拇指和食指同时与虚拟织物之间的交互，当两个手指操作织物时，不对整块织物形 变模拟，只对交互发生区域的织物质子位置进行计算更新，仿真该区域形变，避免了大量的 计算，系统交互实时性增加，交互变得更加流畅。虽然HAPTEX系统是双交互触点的交互操 作，但是双交互触点交互的力触觉生成还需深入研宄。
【发明内容】
[0004] 为了解决【背景技术】中存在的问题，本发明提出了一种双交互触点力触觉生成方 法。
[0005] 本发明采用的技术方案包括以下步骤：
[0006] 1)操作者运行两台力反馈设备，操作同一个三维虚拟物体，对三维虚拟物体进行 双交互触点操作，获得操作过程中力触觉信息；
[0007] 2)检测力反馈设备的交互触点与三维虚拟物体的碰撞，得到碰撞点；
[0008] 3)在力反馈设备的交互触点与三维虚拟物体发生碰撞后，求得交互触点在三维虚 拟物体三角面片上的可视点位置，将时间均匀等分成各个时间间隔，在各个时间间隔下实 时计算得到接触的反馈力，并把接触的反馈力通过力反馈设备反馈给操作者，从而完成双 交互触点交互的力触觉渲染。
[0009] 所述的两台力反馈设备的交互触点与三维虚拟物体交互，构成两台力反馈设备对 同一资源的操作，三维虚拟物体为两个交互触点的共享资源。
[0010] 将所述两个交互触点对三维虚拟物体的操作视为互斥操作，采用以下方式将两个 交互触点单独依次对三维虚拟物体进行操作：先更新第一个交互触点对三维虚拟物体的操 作后，再更新第二个交互触点和三维虚拟物体的操作，使得两个交互触点操作相同状态下 的三维虚拟物体；在第二个交互触点结束操作三维虚拟物体时，将两个交互触点对三维虚 拟物体的操作进行综合，对两个交互触点和三维虚拟物体的状态进行更新，实现两个交互 触点同时操作三维虚拟物体。
[0011] 所述步骤2)交互触点与三维虚拟物体的碰撞采用以下方式进行判断：构建出交 互触点的立方体包围盒和三维虚拟物体的AABB包围盒二叉树，把交互触点的立方体包围 盒和三维虚拟物体的包围盒分别正交投影到欧式空间的三个平面；若交互触点的立方体包 围盒和三维虚拟物体的包围盒在三个投影平面都重叠区域，则交互触点的立方体包围盒和 三维虚拟物体的包围盒发生了碰撞，通过AABB包围盒碰撞检测方法得到可能发生碰撞的 三维虚拟物体上的三角面片；进而判断力反馈设备交互触点在前后两个时刻是否刺穿该三 角面片，若刺穿该三角面片，则力反馈设备的交互触点与三维虚拟物体发生了碰撞，并得到 碰撞点。
[0012] 所述步骤3)的力触觉渲染根据两个交互触点与三维虚拟物体三角面片是否将碰 撞，把两个交互触点的交互状态分为以下四种情况分：
[0013] 情况一：两个交互触点均不与三维虚拟物体三角面片碰撞，且两个交互触点之间 也不发生碰撞，则两个交互触点的接触力均为ON;
[0014]情况二：两个交互触点均不与三维虚拟物体三角面片碰撞，但两个交互触点之间 发生碰撞；则采用基于虎克定律的依次单独计算方法得到两个交互触点之间的反馈力；
[0015] 情况三：两个交互触点分别与三维虚拟物体三角面片碰撞，但两个交互触点之间 不发生碰撞；则运用God-Object力触觉渲染方法分别求得两个交互触点各自的反馈力；
[0016] 情况四：两个交互触点均与三维虚拟物体三角面片碰撞，且两个交互触点之间也 发生碰撞；则运用God-Object力触觉渲染方法分别求得两个交互触点各自的反馈力，并采 用基于虎克定律的依次单独计算方法得到两个交互触点之间的反馈力，最终两个交互触点 的反馈力为两个交互触点各自的反馈力与两个交互触点之间的反馈力的合力。
[0017] 所述情况二和情况四中，基于虎克定律的依次单独计算方法具体如下：在双交互 触点交互的时间间隔内，先计算第一个交互触点交互后的可视点位置，接着计算第二个交 互触点交互后的可视点位置，第二个交互触点的可视点的移动轨迹经过第一交互触点的可 视点位置，则两个交互触点发生了碰撞，视觉上两个交互触点的可视点均位于碰撞点，但实 际上两个交互触点的可视点之间具有距离K，即第二交互触点与第一交互触点之间的穿刺 深度^，根据用虎克定律乘以交互触点刚性系数k得到第二交互触点反馈力为P2 4?，第 一交互触点反馈力与第二交互触点反馈力互为相反力，为^ 由此得到两个交互触 点之间的反馈力。
[0018] 所述情况三和情况四中，运用God-Object力触觉渲染方法具体如下：交互触点与 三维虚拟物体的三角面片发生碰撞，交互触点实际移动到可视点P2,运用God-Object力触 觉渲染方法得到可视点P3,得到可视点P2和可视点P3之间的距离&，即刺穿深度I，刺穿 深度与碰撞三角面片法向量方向一致；则交互触点的反馈力为Ttl +T^l , =Ml 为交互触点所受的法向支持力，k为碰撞表面三角面片的刚性系数，戶〃 交互触 点所受的切向力，U为碰撞表面三角面片的摩擦系数。
[0019] 本发明方法的优点及显著效果，和以往的方法相比具有以下特点：
[0020] 1、本发明方法实现了基于两台串行触觉交互设备，通过方法控制两个交互触点对 三维虚拟物体进行接触，可达到并行接触效果。
[0021] 2、本发明方法把两个交互触点的交互状态分为四种情况，分别进行力触觉渲染， 生成逼真的力触觉。
[0022] 3、本发明方法通过分析双交互触点和三维虚拟物体间的交互状态，正确绘制出虚 拟空间交互触点的可视点的位置，并建立对应的力触觉模型进行力触觉计算，让视触觉反 馈更贴近现实。
【附图说明】
[0023] 图1是本方法的功能模块图。
[0024] 图2是本方法的双交互触点交互处理模块流程图。
[0025] 图3是本发明三维虚拟物体的AABB包围盒二叉树示意图。
[0026] 图4是本发明情况一的碰撞示意图。
[0027] 图5是本发明情况二的碰撞示意图。
[0028] 图6是本发明情况三的碰撞示意图。
[0029] 图7是本发明情况四的碰撞示意图。
[0030] 图8是实施例情况一的视觉模型和触觉模型示意图。
[0031] 图9是实施例情况二的视觉模型和触觉模型示意图。
[0032] 图10是实施例情况三的视觉模型和触觉模型示意图。
[0033] 图11是实施例情况四的视觉模型和触觉