一种双交互触点力触觉生成方法.pdf

本发明公开了一种双交互触点力触觉生成方法。运行两台力反馈设备，操作同一三维虚拟物体进行双交互触点操作，获得力触觉信息；检测交互触点与三维虚拟物体的碰撞得到碰撞点；在发生碰撞后，求得交互触点在三维虚拟物体三角面片上的可视点位置，实时计算得到接触的反馈力，并将接触的反馈力通过力反馈设备反馈给操作者，完成双交互触点交互的力触觉渲染。与传统单交互触点的力触觉感知交互相比，本发明可模拟两个手指的触摸动作，可对三维虚拟物体进行双交互触点操作，并获得操作过程中力触觉信息；分别进行力触觉渲染，生成逼真的力触觉，感知三维虚拟物体的力触觉属性。

1.  一种双交互触点力触觉生成方法，其特征包括以下步骤：
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；
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；
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，在各个时间间隔下实时计算得到接触的反馈力，并将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。

2.  根据权利要求1所述的一种双交互触点力触觉生成方法，其特征在于：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。

3.  根据权利要求1所述的一种双交互触点力触觉生成方法，其特征在于：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。

4.  根据权利要求1所述的一种双交互触点力触觉生成方法，其特征在于：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。

5.  根据权利要求1所述的一种双交互触点力触觉生成方法，其特征在于：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：
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0N；
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，作为交互触点的反馈力：
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；
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。

6.  根据权利要求5所述的一种双交互触点力触觉生成方法，其特征在于：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。

7.  根据权利要求5所述的一种双交互触点力触觉生成方法，其特征在于：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，为交互触点所受的切向力，m为碰撞表面三角面片的摩擦系数。

一种双交互触点力触觉生成方法
技术领域
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
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究。
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PHANToM Omni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渲染。Guido Bottcher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究。
发明内容
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。
本发明采用的技术方案包括以下步骤：
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；
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；
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。
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。
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。
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。
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：
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0N；
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；
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；
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。
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。
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，为交互触点所受的切向力，μ为碰撞表面三角面片的摩擦系数。
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：
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。
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。
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
图1是本方法的功能模块图。
图2是本方法的双交互触点交互处理模块流程图。
图3是本发明三维虚拟物体的AABB包围盒二叉树示意图。
图4是本发明情况一的碰撞示意图。
图5是本发明情况二的碰撞示意图。
图6是本发明情况三的碰撞示意图。
图7是本发明情况四的碰撞示意图。
图8是实施例情况一的视觉模型和触觉模型示意图。
图9是实施例情况二的视觉模型和触觉模型示意图。
图10是实施例情况三的视觉模型和触觉模型示意图。
图11是实施例情况四的视觉模型和触觉模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明实施例具体实施过程中，可采用如图1所示装置系统，双交互触点交互处理模块负责控制两台力反馈设备的交互触点与三维虚拟物体交互；碰撞检测模块负责检测力反馈设备的交互触点与三维虚拟物体的碰撞；力触觉渲染模块负责分析双交互触点与三维虚拟物体的交互状态，并根据交互状态分别建立力反馈模型进行反馈力求解。
下面将对各个模块的功能实现进行具体介绍：
如图2所示，双交互触点交互处理模块负责控制两台力反馈设备的交互触点与三维虚拟物体交互。在双交互触点交互的一个时间间隔内，分成先后的时间段。第一个时间段，进行第一交互触点的交互活动，得到第一交互触点位置及其可视点位置，但暂不更新三维虚拟物体图形信息，第二个时间段，进行第二交互触点的交互活动，得到第二交互触点位置及其可视点位置，将两次交互后的三维虚拟物体信息进行汇总更新，完成一次双交互触点的交互。双交互触点交互处理功能模块实现两个串行设备对同一个系统资源的访问，虽然两个交互触点的位置数据获取存在先后时间间隔，但时间间隔为毫秒级，实现两个交互触点同时操作三维虚拟物体，达到两个串行设备的并行交互效果。
碰撞检测模块负责检测力反馈设备的交互触点与三维虚拟物体的碰撞，首先构建出两个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，三维虚拟物体表面由三角面片组成，对它们生成AABB包围盒二叉树，此二叉树的构造是由总到分的，父结点包围盒包括子结点包围盒的所有三角面片，因此根结点包括所有三角面片，如图3所示；其次，通过对两个交互触点包围盒和三维虚拟物体包围盒二叉树，进行三个坐标平面的投影比对，确定是否碰撞。主要的流程可以简述如下：对三维虚拟物体包围盒树进行遍历，从根结点开始，从上到下与交互触点包围盒进行碰撞检测；若发生碰撞，则跳到该结点的左子结点进行检测，无碰撞则跳到右子结点进行检测，直到只有一个三角面片的叶子结点，即确定为交互触点包围盒与该面片的包围盒发生碰撞；最后，需要确定交互触点包围盒和该三角面片的包围盒中的几何图元是否发生碰撞，假设前后两个时刻点t1,t2，t1时刻交互触点位置为p1，t2时刻交互触点位置为p2，建 立p1点和p2点的直线方程，与该三角面片的平面方程进行求交点，如果有交点，并且交点在三角面片内部，证明交互触点和三维虚拟物体发生了碰撞，求出碰撞点。
力触觉渲染模块负责分析双交互触点与三维虚拟物体的交互状态，并根据交互状态分别建立力反馈模型进行反馈力求解，力触觉渲染具体步骤为：
1)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四种情况：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；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；情况三：两个交互触点均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；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；
2)针对这四种情况，分别进行力触觉渲染；
情况一：如图4和图8所示，一个时间间隔内，分成先后的时间段t1和t2。P1表示第一交互触点在t1时间段开始的空间位置，P2表示t1时间段结束的空间位置，Q1表示第二交互触点在t2时间段开始的空间位置，Q2表示第二交互触点在t2时间段结束的空间位置，两交互触点在交互过程中没有发生碰撞，并都未与三维虚拟物体发生碰撞，因此，第一交互触点的可视点位置为P3，和P2重合，第二交互触点的可视点位置为Q3，和Q2重合，两个交互触点的反馈力都为0N；
情况二：如图5和图9所示，将一个时间间隔内分成先后依次的时间段t1和t2，t1时间段进行第一交互触点的交互活动，t2时间段进行第二交互触点的交互活动。P1为第一交互触点在t1时段开始时的位置，P2为第一交互触点在t1时段结束时的位置，得到可视点P3，可视点P3和P2重合；进入t2时间段，进行第二交互触点的交互活动，Q1为第二交互触点在t2时段开始时的位置，Q2为第二交互触点在t2时段结束时的位置，第二交互触点运动轨迹经过了第一交互触点的可视点P3位置，发生碰撞，因此，在P3位置生成第二交互触点的可视点Q3，Q3和第二交互触点实际位置Q2间的距离距离为第二交互触点对第一交互触点的穿刺深度，第二交互触点反馈力为其中k为交互触点刚性系数，第一交互触点反馈力与第二交互触点反馈力互为相反力，为两个交互触点均没有与三维虚拟物体碰撞。
情况三：如图6和图10所示，将一个时间间隔内分成先后依次的时间段t1和t2，t1时间段进行第一交互触点的交互活动，P1为第一交互触点在t1时段开始时的位置。P2为第一交互触点在t1时段结束时的位置，第一交互触点从P1运动到P2的过程中会与三维虚拟物体的三角面片发生碰撞，运用God-Object得到可视点P3，连接可视点P2和可视点P3，得到刺穿深度与碰撞三角面片法向量一致。
进入t2时间段，进行第二交互触点的交互活动，Q1为第二交互触点在t2时段开始时的位置，Q2为第二交互触点在t2时段结束时的位置，第二交互触点从Q1运动到Q2，的过程中会与物体表面三角面片发生碰撞，运用God-Object得到可视点Q3，连接Q2和Q3，得到刺穿深度与碰撞三角面片法向量一致。两个交互触点彼此之间并未碰撞，因此，第一交互触点只受到表面对其的反馈力为第一交互触点所受的表面三角面片对其的法向支持力，k为碰撞表面三角面片的刚性系数，为第一交互触点所受的表面三角面片对其的切向力，μ为碰撞表面三角面片的摩擦系数。第二交互触点也只受到表面对其的反馈力为第二交互触点所受的表面三角面片对其的法向支持力，k为碰撞表面三角面片的刚性系数，为第二交互触点所受的表面三角面片对其的切向力，μ为碰撞表面三角面片的摩擦系数。
情况四：如图7和图11所示，一个时间间隔内，分成先后的时间段t1和t2。t1时间段，进行第一交互触点的交互活动，P1为第一交互触点在t1时段开始时的位置，P2为第一交互触点在t1时段结束时的位置，第一交互触点从P1运动到P2的过程中会与物体表面三角面片发生碰撞，运用God-Object得到可视点P3，连接P2和P3，得到刺穿深度与碰撞三角面片法向量一致；进入t2时间段，进行第二交互触点的交互活动，Q1为第二交互触点在t2时段开始时的位置，Q2为第二交互触点在t2时段结束时的位置，第二交互触点从Q1运动到Q2，的过程中会与物体表面三角面片发生碰撞，运用God-Object得到可视点Q3，连接Q2和Q3，得到刺穿深度图7中A点为第一交互触点从P1位置活动到P2位置时与表面三角面片的碰撞点，从视觉角度来看，第一交互触点从P1位置活动到可视点P3位置，是先从P1位置移动到碰撞点A位置，发生碰撞后在表面继续移动到P3位置，形成了第一交互触点的可视点的移动轨迹S1。
同样道理，B点为第二交互触点从Q1位置活动到Q2位置时与表面三角面片的碰撞点，从视觉角度来看，第二交互触点从Q1位置活动到可视点Q3位置，是先从Q1位置移动到碰撞点B位置，发生碰撞后在表面继续移动到Q3位置，形成了第二交互触点的可视点的移动轨迹S2。在t2时间内，视觉上，在第二交互触点的可视点在移动过程中，会与第一交互触点的可视点P3发生了碰撞，此时，视觉上第一交互触点和第二交互触点的可视点要同一位置Q4上。如未与P3碰撞，第二交互触点的可视点可以继续移动到Q3，类似于情况二，连接Q3到Q4，可以得到第二交互触点对第一交互触点的刺穿深度根据以上分析，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，此时，两个交互触点的反馈力为情况二和情况三的反馈力的合力。
第一交互触点受到表面对其的反馈力为第一交互触点所受的表面三角面片对其的法向支持力，k为碰撞表面三角面片的刚性系数，为第一交互触点所受的表面三角面片对其的切向力，μ为碰撞表面三角面片的摩擦系数，第一交互触点还受到了第二交互触点对其的碰撞力因此，第一交互触点所受反馈力的合力为
第二交互触点受到表面对其的反馈力为第二交互触点所受的表面三角面片对其的法向支持力，k为碰撞表面三角面片的刚性系数，为第二交互触点所受的表面三角面片对其的切向力，μ为碰撞表面三角面片的摩擦系数，第二交互触点还受到了第一交互触点对其的碰撞力因此，第二交互触点所受反馈力的合力为
由此，采用两台串行触觉交互设备，通过本发明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；准确地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，生成逼真的力触觉，具有突出的技术效果。