[发明专利]一种基于生理物理建模的静电力触觉渲染方法

说明书

本发明提供一种基于生理物理建模的静电力触觉渲染方法，属于虚拟现实与人机交互领域领域。确定手指划过真实材质表面第一速度，第一法向力以及第一切向力；确定手指划过静电力触觉再现装置表面第二速度以及第二法向力；利用人工智能算法进行模型训练，确定生理物理映射关系f(t)；根据第二速度，第二法向力以及生理物理映射关系f(t)，确定驱动切向力；根据驱动切向力确定静电力触觉再现装置渲染真实材质施加的激励信号瞬态电压V(t)。本发明建立了生理物理映射关系，及手指划过触觉再现装置的切向力与激励信号的映射关系，实现了在触觉再现装置上呈现真实材质的纹理渲染。该方法无操作约束，通用性及可扩展性强。

技术领域

本发明涉及于虚拟现实与人机交互领域领域，尤其涉及一种基于生理物理建模的静电力触觉渲染方法。

背景技术

触觉再现是当前人机交互与虚拟现实领域内的前沿技术，能够给人提供更好的沉浸式体验，相较于传统的视觉和听觉，触觉更注重人机的交互性。其中静电触觉再现技术是目前国际触觉再现的研究热点和重点，在教育教学、商业展示、医学治疗和娱乐等领域有着广阔的发展前景。

静电力触觉再现技术主要是根据库伦定律，利用静电力吸引原理，通过调节手指与触觉再现面板间的摩擦力提供触觉体验。静电力触觉再现面板有玻璃底板、透明导电极板、透明绝缘薄膜组成。当激励信号施加于导电极板时，绝缘薄膜内部正负电荷周期性变化，从而产生一个周期性变化的电场。当手指触摸再现面板时，手指因电荷感应而周期性携带正负电荷，电荷间库仑力相互作用，使手指感知触觉力作用。可以通过对激励信号的参量控制，改变指尖所受摩擦力，进而产生不同的触觉体验。触觉再现渲染算法是在触觉再现装置基础上进一步提高触觉再现真实感的保证。近年来，随着触觉再现技术越来越受到国内外企业和研究机构的关注，多媒体终端触觉再现渲染方法研究得到了不断地发展。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：现有的关于静电力触觉再现装置的触觉渲染算法中，基于物理建模的渲染算法需要针对特定的再现装置建立精准的数学模型，计算量大，且由于过度简化物理模型，使得渲染效果并不理想。基于数据驱动的渲染算法，现有的方法中并没有建立物理触摸与触觉感受的普适性关系，即生理物理模型，仅限于实验数据本身来进行渲染，并且大部分的渲染方法是基于限制手指与触觉屏的接触条件，体验感不佳，另外渲染算法的渲染能力结果往往受限于实验数据本身，不具备通用性及扩展性。

发明内容

本发明提供一种基于生理物理建模的静电力触觉渲染方法，通过建立手指划过真实材质时的速度，法向力与切向力的生理物理映射关系，以及手指划过触觉再现装置时的切向力与激励信号之间的映射关系，实现了在静电力触觉再现装置上渲染真实材质的纹理。该方法无操作约束，渲染范围广，通用性及可扩展性强，且具有很好的渲染效果。

本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：

(1)、确定手指划过真实材质表面时的第一速度v₁，第一法向力F_N1以及第一切向力F_f1；

(2)、确定手指划过静电力触觉再现装置表面时的第二速度v₂以及第二法向力F_N2；

(3)、根据第一速度v₁，第一法向力F_N1以及第一切向力F_f1，利用人工智能算法进行模型训练，确定生理物理映射关系f(t)；

(4)、根据第二速度v₂，第二法向力F_N2以及生理物理映射关系f(t)，确定驱动切向力F_f；

(5)、根据驱动切向力F_f确定静电力触觉再现装置渲染真实材质时施加的激励信号瞬态电压V(t)。