基于物理的虚拟手交互碰撞力觉生成和反馈

提出一种考虑摩擦的虚拟手交互碰撞力觉生成和反馈方法，以让用户手指感受到逼真的冲击，增强虚拟操作的真实性和沉浸感．该方法首先运用冲量定理和弹性恢复系数，求得质点刚体在二维空间碰撞后的运动状态，然后结合库仑定理，生成质点刚体有摩擦的碰撞力，并拓展到三维空间的虚拟环境中，计算非质点的虚拟刚体碰撞的力矩，再通过虚拟手静力抓持力觉生成模型，将碰撞力和碰撞力矩作用到虚拟手上，求得每个虚拟手指受到的冲击力．当虚拟手抓持的物体与其它虚拟物体发生碰撞时，利用CyberGrasp力觉反馈数据手套，用户手指可感受到逼真的冲击力．实验结果表明运用所提出的方法，用户在虚拟装配时可感受到真实的碰撞力．     

一种基于弹簧模型的作用力视觉反馈方法

在虚拟拆装系统中,为了增强用户的"沉浸感",会引入力反馈设备,但目前力反馈设备价格昂贵,同时力反馈算法也不成熟,二者导致了力反馈的引入无法商用和推广.为使用户在无力反馈设备的虚拟拆装系统中感受到操作时作用力的变化,提出了一种基于弹簧模型的作用力视觉反馈方法,构造一个可形变、带标尺的弹簧来代表虚拟手,将拆装关系变化时引起的力反馈通过弹簧的实时形变来表达,用视觉反馈形象化地表现了力觉反馈,取得了良好的实际效果.实验证明,此方法既降低了虚拟拆装系统的研发难度,又节约了虚拟拆装系统开发与推广的成本,具有较好的推广和使用价值.     

面向柔软样品的AFM纳米操作可视化系统

在对细胞、生物大分子等柔软样品进行纳米操作时,原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)面临缺乏实时视觉反馈的问题.为此,搭建了一套面向柔软样品的AFM纳米操作可视化系统.具体而言,首先建立了AFM形貌图像坐标系到虚拟场景坐标系之间的映射关系,从而得到虚拟场景中样品的顶点信息,进而通过3维图形引擎渲染样品的虚拟形貌.在此基础上,提出了一种基于接触力学理论的样品形变估计和仿真方法,对探针按压导致的样品形变进行了虚拟视觉反馈,从而使得刻画的虚拟形貌能够和样品的真实形貌保持一致,并准确地还原按压过程中样品表面的形貌变化.仿真和实验结果表明,所设计的纳米操作可视化系统能够在虚拟场景中实时呈现AFM纳米操作过程.     

基于分布式系统的虚拟力感知与交互技术

针对现有人机交互系统中的力觉交互沉浸感不足的问题,提出了一种基于分布式系统的动态碰撞检测与虚拟力觉交互的控制策略。力觉交互系统采用分布式设计,主要包括:人机交互接口管理、空间位形解算和运动控制与碰撞检测等单元设计。在交互过程中,采用分层方式处理碰撞效果。根据模型所处虚拟空间的相对几何位置与碰撞后的运动状态构建虚拟力觉,并由交互管理单元映射至实体交互设备,实现操作者的力觉感知与交互。采用PHANTOM omni力反馈设备与Visual Studio 2010构建了动态碰撞检测的仿真实验系统,并进行了虚拟力觉交互实验。实验结果表明:操作者通过力反馈设备能够实现力觉感知与交互,有效解决了交互过程中的力觉效果不足的问题。     

单自由度康复训练机器人的虚拟环境设计

提出并建立了一个可用于机器人辅助康复训练的虚拟环境.虚拟环境可以提供视觉反馈,将患者控制训练机械臂的运动映射为虚拟环境中的物体的运动,并采用虚拟力势场的方法,通过机械臂为患者提供相应的力反馈.最后,利用单自由度康复训练系统对一名健康男性进行了初步的实验研究.结果表明,该系统可以实现康复训练过程中的视觉和力觉交互,为患者提供暗示和帮助,在康复训练机器人领域有一定的应用前景.     

基于实时点云建模虚拟夹具辅助力觉交互研究

为满足遥操作的精度和实时性要求,应对在操作过程中出现的目标工件形状发生变化或与机械臂末端间出现相对移动等状况,提出一种融合RGB与深度图像信息的点云建模方法。对未知的操作环境进行实时建模,在此基础上实时构建虚拟夹具,继而研究遥操作系统中的力觉交互环节。实验结果表明,基于实时点云建模的虚拟夹具能够有效辅助操作者操纵力反馈设备与点云进行力觉交互,力觉临场感效果良好,可用于规避固定或动态障碍物,完成相对精确的操作任务。     

肝胆虚拟手术中的力觉弹性模型研究

利用增强的64排螺旋CT数据,对肝胆脏器进行了力觉弹性模型建模研究。总结了国内外近年来软组织建模的研究状况、主要流程和关键技术,给出了适合肝胆虚拟手术的几何建模、物理/计算建型、网格划分、碰撞检测及基于PHANTOM力反馈设备的实时响应计算方法。给出了相应的系统框架和结果,搭建了一个GHOST SDK下开发的虚拟环境,为肝胆虚拟手术进一步的仿真奠定了基础。     

虚拟体空间中的触觉雕刻

目前，在虚拟环境中大多数的信息获取是通过视觉、听觉等非接触感觉获得的。然而缺乏触觉反馈的信息减少了很大一部分的信息源。在看和听之外，能够触摸、感觉和操纵物体，在很大程度上提高了虚拟环境的真实性。该文研究了触觉绘制的基本模型，提出了采用虚平面作为中介实现体数据的实时触觉绘制。并在此基础上探讨了体的局部变形及结合触觉反馈模型，实现了具有触觉反馈的虚拟雕刻交互系统。该系统可应用于融化、燃烧、印记、构造和着色实时交互操作。     

基于多视频的虚实融合系统

提出了一种基于多视频的虚实融合可视化系统的构建方法,旨在将真实世界中的图像和视频融合到虚拟场景中,用视频图像中的纹理和动态信息去丰富虚拟场景,提高虚拟环境的真实性,得到一种增强的虚拟环境.利用无人机采集图像来重建虚拟场景,并借助图像特征点的匹配来实现视频图像的注册.然后利用投影纹理映射技术,将图像投影到虚拟场景中.视频中的动态物体由于在虚拟环境中缺失对应的三维模型,直接投影,当视点发生变化时会产生畸变.首先检测和追踪这些物体,然后尝试使用多种显示方式来解决畸变问题.此外,系统还考虑有重叠区域的多视频之间的融合.实验结果表明,所构造的虚实融合环境是十分有益的.     

虚拟装配技术在交互式电子手册中的应用

为了提高装备保障和装备教学的效率,减少真实装备的损耗,以某型装备的维护为背景,利用可视化仿真技术实现了虚拟装配通用平台;该方法采用VS2005为主要开发工具,实现了虚拟环境的建立;然后根据装备的具体操作流程设定对应的逻辑关系,保证了虚拟装配的过程符合实际的装备特性,并在实际的运行环境中进行了流程优化,该平台在具体装备的维护过程中为用户提供了一个生动的交互式虚拟操作环境,实现了在虚拟环境中进行各种操作,同时也为后续的装备保障和装备运行仿真提供了技术基础.