[發明專利]一種帶有超聲虛擬觸覺的混合現實系統

有效

• 申請號: 201711211889.8
• 申請日: 2017-11-27
• 公開（公告）號: CN107908000B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 賈坤;楊航;王鐵軍
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01;G06F3/01
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

本發明公開了一種帶有超聲虛擬觸覺的混合現實系統，包括頭戴式光學設備、超聲虛擬觸覺設備、便攜式數據處理終端；頭戴式光學設備具有安裝接口可以與超聲虛擬觸覺設備集成，其包括透明衍射式平顯、虛擬圖像產生單元、現實場景采集單元及輔助單元如通訊接口、電源管理等；超聲虛擬觸覺設備包括全透明超聲相控陣、驅動單元、功率放大單元和阻抗匹配單元；便攜式數據處理終端采取分立構架，通過無線網絡連接頭戴式光學設備和超聲虛擬觸覺設備，實現信息的雙向通信、物理環境重、空間位置提取、虛擬圖像生成與融合、聲場參數計算等功能；本發明為混合現實系統提供了高柔性、非接觸式的虛擬觸覺實施方式，實現人體對再造環境視覺和觸覺感知的同步。

技術領域

本發明屬于混合現實相關技術領域，具體涉及一種帶有超聲虛擬觸覺的混合現實系統。

背景技術

混合現實技術(Mixed reality,MR)是虛擬現實(Virtual reality,VR)技術與增強現實(Augmented Reality,AR)技術融合后的進一步發展，其通過合并現實和虛擬世界而產生了新的可視化環境，實現物理和數字對象共存，實時互動，同時在新的可視化環境里為用戶提供交互反饋的信息回路，從而增強用戶的真實體驗。

目前這種技術大多使用頭戴式光學設備(如hololens,magic leap等)將具有特定功能的圖形增加到用戶感知的視覺信息中(包括人眼看到的真實物理世界和計算機構建的虛擬世界)。當虛擬的功能圖形生成后，用戶可通過按鍵(真實或虛擬的)、手指或其他交互式設備對其操作，進行互動。然而當前的混合現實技術的研究和發展多著重于視覺感知方面，在與虛擬視覺交互過程中的觸覺感知技術上的進展較為緩慢。用戶不能感知不同操作的效果，交互方式缺少精確的互動性，用戶的沉浸感不強。考慮到虛擬觸覺在混合現實技術中不可替代的作用，其是唯一既可接收環境輸入又可以對視覺信息輸出的感知通道，可極大增強混合現實技術用戶的體驗效果，提升對當前視覺環境的認識效果。

觸覺作為獲取物體質地、紋理等信息的唯一信息通道，是人類認識世界的重要手段。目前，國內外實現對虛擬物體的觸覺感知主要借助可穿戴設備，通過各種制動器與人體接觸來模擬觸覺信號。例如通過壓電或靜電振動器來改變接觸面的摩擦系數，通過電磁或液壓元件改變接觸面的形貌。這些傳統方法難以用于具有高開放性、高柔性虛擬對象的混合現實技術。近年來涌現的超聲觸覺反饋技術通過相控陣超聲在空氣中合成目標聲場，利用聲波的輻射力效應非接觸地在用戶皮膚表面產生震動觸覺。超聲觸覺的實施，硬件上依賴于由多個壓電式或電容式超聲換能器組成的陣列，而現有超聲換能器的光學特性決定其只能用于簡單圖像交互中，無法在不影響混合現實系統中光學設備的情況下得到應用。

發明內容

為了克服上述現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種帶有超聲虛擬觸覺的混合現實系統，解決混合現實技術中缺乏真實、可靠的信息雙向傳遞通道，無法準確交互，用戶缺乏沉浸感等問題，實現人體對再造環境視覺和觸覺感知的同步，提升用戶體驗。本發明以光學全透明介電材料超聲換能器單元為基礎構建適用于混合現實系統的超聲相控陣，從而方便地將超聲虛擬觸覺設備集成于混合現實系統中廣泛應用的頭戴式光學設備；超聲虛擬觸覺設備與計算機圖像設備共享生成虛擬畫面的空間位置，便于超聲虛擬觸覺設備根據圖像特征設置各超聲換能器單元的工作參數，在虛擬畫面處生成目標聲場；聲場通過聲輻射力的作用將虛擬觸覺非接觸地引于人體表面。整個系統具有結構緊湊、算法易于實現、高柔性、操作方便等諸多特點。

為了實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案：

一種帶有超聲虛擬觸覺的混合現實系統，包括頭戴式光學設備1、超聲虛擬觸覺設備2、便攜式數據處理終端3；所述頭戴式光學設備1具有安裝接口能夠與具有高透光性的超聲虛擬觸覺設備2集成；所述便攜式數據處理終端3采取分立構架，能隨身攜帶于用戶的任意位置，通過無線網絡與頭戴式光學設備1和超聲虛擬觸覺設備2相連。