虚拟物体的力_触觉模型及再现技术研究进展.pdf

第21卷第15期系统仿真学报©Vol.21No.152009年8月JournalofSystemSimulationAug.,2009虚拟物体的力/触觉模型及再现技术研究进展张小瑞，宋爱国，刘佳，李建清(东南大学仪器科学与工程学院，南京210096)摘要：虚拟物体在受力作用时的形变建模是虚拟环境中力/触觉人机交互的关键。分析了虚拟物体的力/触觉模型及再现技术的研究难点。介绍了当前六种有代表性的力/触觉模型：自由式形变模型、3DChainMail模型、弹簧-质点模型、有限元模型、Shape-RetainingChainLinked模型、长单元模型，并在此基础上对这些模型的优缺点进行了比较。最后对力/触觉模型及再现技术的发展趋势进行了展望。关键词：虚拟现实；力/形变模型；力触觉再现；力反馈中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1004-731X(2009)15-4555-06DevelopmentonHapticModelandRenderingTechnologyofVirtualObjectsZHANGXiao-rui,SONGAi-guo,LIUJia,LIJian-qing(SchoolofInstrumentScienceandTechnology,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)Abstract:Deformationmodellingofvirtualobjectsunderforceisakeyissueforhapticinteractionbetweenhumanandcomputerinvirtualenvironment.Theproblemsofhapticmodellingandrenderingofvirtualobjectswereanalyzed.Sixtypicalhapticmodelsincludingfree-formdeformationmodel,3Dchainmaildeformationmodel,mass-springdeformationmodel,finiteelementmodel,shape-retainingchainlinkedmodelandlongelementsmethodmodelwerediscussed.Basedontheaboveanalysis,themeritsandthedisadvantagesofthesemodelswerecompared.Finally,thedevelopingtendencyofhapticmodellingandrenderingtechnologyinfuturewaspointed.Keywords:virtualreality;force-deformationmodel;hapticrendering;forcefeedback来自触觉，1%来自味觉[3]。虽然触觉获取的信息所占的比例引言很小，但是不可否认，在人类认识客观世界的过程中，触觉虚拟现实(VirtualReality，VR)，实质上是一种可以创建是实现人与环境直接作用的必须媒介。在进化史上，触觉是和体验虚拟世界的计算机系统，而虚拟世界是全体虚拟环境最早产生的感觉，触觉与人的关系更为密切，利用它进行生或给定仿真对象的全体。虚拟环境是由计算机生成的，通过物反馈能取得更好的效果。随着虚拟现实技术在外科手术仿计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉真、遥操作机器人控制、教育、科学数据可视化、虚拟制造等感觉世界，用户能够以自然的方式与这个环境交互，从而等领域的应用，人们逐渐意识到力/触觉信息的反馈具有广产生置身于相应的真实环境中的虚幻感、沉浸感和身临其境泛的应用前景，力/触觉模型及再现技术研究对于虚拟现实的感觉。技术中临场感程度和交互性具有十分重要的现实意义。力/触觉再现是指操作者通过触觉设备进行触摸、感知力觉和触觉生成研究最早可追溯到1954年，但直到最和操纵虚拟物体等一系列相互作用来获得表征虚拟物体特近，科技的发展才使人与复杂虚拟环境的交互成为可能。近性触觉感知信息的过程。年来，力/触觉模型及再现技术研究已被广泛重视并开始得当前，对于虚拟现实技术而言，不断优化和完善的图形到重点研究，美国哈佛大学、斯坦福大学、华盛顿大学、西算法及其软件已经能够惟妙惟肖地模拟三维虚拟场景，而人北大学、加州伯克利大学、普渡大学、麻省理工学院，英国们对“可望而不可及”的不满又促使了近年来要求虚拟环境哥伦比亚大学等先后开展了力/触觉建模、力/触觉再现以及不仅提供真实的视觉反馈，还具有力觉再现和力觉交互的功力/触觉的生理与心理机制的研究。同时国外已有商业公司能[1,2]。实验心理学家通过大量的实验证实，人类获Tr