柔性体力触觉形变模型研究

针对虚拟现实力触觉交互中柔性体受力与形变的复杂关系,提出一种基于球面调和函数(SphericalHarmonic,SPHARM))的柔性体力触觉仿真模型。利用SPHARM的正交归一、旋转不变、多尺度等特性完成柔性体几何模型的准确表达;将柔性体在不同作用力下的形变模型映射到共同的参照系统中,在共同的参照系统中,利用主成分分析方法(Principal Components Analysis,PCA)完成柔性体在不同作用力下的形变比较,根据简化后的波动方程计算物体形变后的反馈力。实验结果表明,该方法可以准确表达柔性体的形变过程,适用于柔性体力触觉实时交互研究。     

手术仿真中基于导纳控制的力触觉形变模型

为了在虚拟手术仿真中获得快速、准确的力触觉形变效果,提出一种基于导纳控制的力触觉形变模型.基于该模型,采用PHANTOM OMNI力触觉交互设备,以3DS MAX 2013,Microsoft Visual C++2012,Open GL函数库为基础搭建了实时柔性体力触觉再现系统,实现了虚拟双手对心脏双点的拉拽交互操作.感知实验和交互效率的结果表明,所提出的模型简单有效,形变效果逼真、视觉反馈流畅、力触觉反馈平稳,操作者对虚拟环境的感知和交互准确可靠,能够满足虚拟手术仿真系统的要求.     

基于球面调和函数的柔性体力触觉建模研究

为了提高虚拟柔性体力触觉交互中物体形变与力的准确描述及计算效率,提出一种基于球面调和函数表达的柔性体力触觉建模方法。利用球面调和函数的多尺度性进行物体碰撞检测实现,在变形体的密度、杨氏模量、泊松比等参数已知的情况下,根据在力作用下的物体形变使用简化后的波动方程计算变形量和反馈力生成。实验结果表明,采用该方法可以准确描述柔性体的形变过程,其所需的计算成本在可接受的范围之内,可被应用到各种力交互辅助的医学应用中。     

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。     

用于实时柔性触觉再现的平行菱形链连接模型

精度高且实时性好的柔性触觉变形模型是实现触觉再现系统的关键。提出了一种新的基于物理意义的平行菱形链连接触觉变形模型,系统中各个链结构单元相对位移的叠加对外等效为物体表面的变形,与之相连的弹簧弹性力的合力等效为物体表面的接触力。使用Delta 6-DOF手控器,建立了触觉再现实验系统,对柔性体的接触变形和实时虚拟触觉反馈进行仿真, 实验结果表明所提出的模型不仅计算简单,而且能够保证触觉接触力和形变计算具有较高精度,满足虚拟现实系统对精细作业和实时性的要求。     

OpenCL加速的基于虚拟节点法的柔性体实时切割仿真

为了提高柔性体变形仿真运行速度并且解决切割对变形计算稳定性的负面影响,提出了能与GPU加速的变形算法协同运作的基于虚拟节点法的柔性体实时切割仿真方法.柔性体模型由真实四面体网格嵌入虚拟四面体网格中构成,前者用于碰撞处理和图形渲染,而后者则用于变形计算.切割算法首先分裂真实四面体网格;然后复制包含超过一块真实四面体连通碎片的虚拟四面体,每个复制品包含一块真实四面体碎片;再根据真实四面体之间的连接关系更新虚拟四面体之间的连接关系;最后更新真实四面体网格与虚拟四面体网格之间的镶嵌关系.为了确保仿真系统不被限制在NVIDIA公司的GPU上,GPU加速使用OpenCL实现.仿真测试结果表明,该方法可以在任意多次切割情况下保持变形计算稳定不发散,并且在NVIDIA公司和AMD公司的GPU上都可以正确运行.     

力/触觉再现中柔性物体可视化物理形变模型研究进展

力/触觉再现技术的出现,为虚拟现实开辟了全新的应用领域,促使基于物理意义的柔性物体形变建模成为一个研究热点.系统地讨论了近年来基于物理意义的柔性物体形变建模方法,分析了基于直接构建的模型、基于连续介质力学的模型和其他相关模型的基本思想和优缺点.对这些建模方法的性能进行了细致的比较,并探讨了柔性物体物理形变建模的未来发展趋势.     

一种基于球面调和函数的柔性体建模方法实现

给出了球面调和函数表达柔性体模型的原理,重点探讨了一种新的基于球面调和函数多尺度性的虚拟柔性体建模方法的实现机理。实验结果表明,该方法可以实现柔性物体的精确建模和实时表达,适合应用于虚拟现实的柔性物体碰撞检测、虚拟手术等对场景实时性要求较高的领域。     

一种新型球面调和函数的柔性体仿真方法

提出一种新型的球面调和函数及有限元思想的仿真模拟方法,用于分析柔性体或非刚性物体在受到外力作用如碰撞过程中,受力而导致的形变。该方法考虑了柔性体形变大、可拉伸等特性,利用把柔性体离散化成有限个单元的方法,把柔性体分割成数量一定的六面体或四面体;然后使用不同的球面调和函数拟合被分割的柔性体不同单元,以此定量仿真模拟出柔性体的受力变形;最后将所有单元拼接起来而构成柔性体的整体仿真模拟模型。     

双触点交互的力触觉实时生成方法

力触觉的生成和交互有助于提升虚拟环境的沉浸感和真实性.提出了一种双触点交互的力触觉实时生成方法.把双触点交互分为4种状态,分别提出不同状态下双触点交互的力触觉实时生成算法,并建立虚双触点交互的实验环境,开展双触点交互力触觉生成的评价研究.实验结果表明,该方法能够实时生成双触点交互时的力触觉,增强虚拟环境的沉浸感和真实性,提升了人手力触觉交互的自然性.     

The skin deformation of a 3D virtual human

This paper presents a skin deformation algorithm for creating 3D characters or virtual human models. The algorithm can be applied to rigid deformation, joint dependent localized deformation, skeleton driven deformation, cross contour deformation, and free-form deformation (FFD). These deformations are computed and demonstrated with examples and the algorithm is applied to overcome the difficulties in mechanically simulating the motion of the human body by club-shape models. The techniques described in this article enables the reconstruction of dynamic human models that can be used in defining and representing the geometrical and kinematical characteristics of human motion.     

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。     

虚拟现实的力触觉交互技术发展现状与趋势

虚拟现实通过模拟人的视觉、听觉、力触觉等,使人处于一种与真实世界非常逼真的虚拟世界中,来感受、体验和评价虚拟世界中的场景和设备。力触觉在虚拟现实环境中有其突出优越性,力触觉使得虚拟现实环境变得真实,是唯一的既可接受周围环境输入又可以对周围环境输出的感知通道,可极大增强可视化表达的效果。虚拟现实的力触觉交互技术包括力触觉再现技术和虚拟环境的力触觉建模。介绍了这两方面的发展现状、存在的问题和今后的发展趋势。     

基于OpenGL的虚拟化学实验系统的研究

传统的实验教学由于经费、场地等因素的限制而受到很大程度的影响.虚拟实验的提出为弥补传统实验的不足提供了一条有效的途径.对基于OpenGL的三维交互式虚拟化学实验系统进行了研究,分析了系统的结构和功能,并对实现技术进行了讨论.最后在VC 6.0环境下实现了一个中学化学虚拟实验系统--CVE.     

网上博览会虚拟要素实时生成技术

在互联网上建立虚拟展馆,能够突破时间和空间的限制,满足世界各地更多的参观人群对参观展会的需求.针对虚拟展馆和现实展馆息息相关的问题,提出了"虚实融合"、"场网联动"的网上博览会设计与构建方法.重点研究了与现实相关联的虚拟展馆中关键要素包括人物和虚拟场景的实时生成技术,符合X3D标准,数据量小,易于网上发布,有效增强了网上博览会的生动性,同时将为现场参观人群提供有效的导览和服务信息.     

虚拟手抓持力觉生成算法真实性的评价

目的 虽然许多学者研发了多种虚拟手交互触力觉生成算法,但是如何评价虚拟手交互触力觉生成算法的真实性是一个富有挑战性的新问题,值得深入研究.方法 构建手指抓持力测量平台,设计3种抓持姿态下指尖静力抓持球体实验内容,测得各指尖作用力的实测值;通过虚拟手静力抓持力觉生成算法,求得这3种抓持姿态下各手指作用力的理论值;对实测值进行统计和分析,并与理论值进行对比和讨论;结果 日常抓持经验和实测值是完全相符的,实测值和理论值很接近且偏差均在可接受范围之内.单个手指作用力或多个手指合力的实测值与理论值的偏差均在1%6%.结论 本文实现了一种基于物理的实验方法,评价和分析了虚拟手静力抓持力觉生成算法的真实性,证实此算法可以逼真地生成虚拟手抓持力,可应用于具有力反馈的自然的虚拟手交互.     

力／触觉再现设备的研究现状与应用

力/触觉再现技术作为一种新兴的人机交互模式在虚拟现实系统得到较多应用。力/触觉再现设备是力/触觉再现系统实现过程中必不可少的环节,受到广泛的重视和研究。讨论了力/触觉再现设备的种类和特点,分类介绍了国内外力/触觉再现设备的研究现状,并作了分析比较。最后讨论了力/触觉再现设备在不同领域的应用,并探讨了其未来的研究发展趋势。     

虚拟手术中软组织切割模型研究进展*

虚拟手术仿真训练系统是虚拟现实的重要应用,能够克服真实传统手术中资源少、训练不方便和可重复操作性差等问题。软组织切割是虚拟手术仿真训练系统中的重要组成部分,也是手术中最常见的操作。软组织切割模型建立的质量如何,直接决定了虚拟手术仿真的精度度和仿真度。为更好地对软组织切割模型进行深入探索,分析了虚拟手术仿真中软组织切割的研究难点。针对当前十四种有代表性的切割模型进行了研究,在此基础上对这些模型的优缺点进行了比较,并对软组织切割模型的发展趋势进行了展望。