[發明專利]一種基于三維網格模型的超聲空中觸覺渲染方法

有效

• 申請號: 202010094987.3
• 申請日: 2020-02-16
• 公開（公告）號: CN111340961B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 陳建;王知強;孫曉穎;林琳;燕學智;于帆;王慶龍
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G06T19/00
• 分類號: G06T19/00;G06T17/00
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

1.一種基于三維網格模型的超聲空中觸覺渲染方法，其特征在于，包括下列步驟：

(1)使用三維網格模型處理軟件，載入相應的三維圖形，選用三角形網格模型，并對網格增密和簡化進行選擇；

(2)針對已經確定的網格模型，獲取其所有網格頂點的三維坐標；

(3)將獲取的三維坐標導入場景中，啟用手勢識別，獲取模型手的手指各關節坐標和手掌中心位置坐標以及手掌平面的法向量，并通過手掌中心坐標和手掌平面的法向量，計算確定手掌平面方程S；

(4)確定手指部分的超聲聚焦點的位置，計算手指關節部分與網格頂點的距離并通過距離的數值，確定該手指關節點處的網格頂點的坐標，以此針對該關節的超聲聚集點的位置，同一手指只能有確定一個超聲聚焦點，并且同時確定的聚焦點數量由參與圖形交互的手指數量決定；

(5)確定手掌部分的超聲聚焦點的位置，計算手掌平面的距離與網格頂點的距離，并通過距離數值，確定手掌平面網格頂點的位置坐標；

(6)針對三維圖形的棱，頂點位置的網格頂點，進行超聲聚集時，改變強度和頻率。

2.根據權利要求1所述的一種基于三維網格模型的超聲空中觸覺渲染方法，其特征在于：步驟(1)中針對選定的三維圖形使用三角形網格，以及確定網格的增密和簡化的方法如下：

在進行網格的增密和簡化時，要保證相鄰網格頂點的最大距離要小于超聲聚焦控制點的直徑，控制點的直徑等于超聲波的波長，即相鄰網格頂點的最大距離要小于一倍的波長。

3.根據權利要求1所述的一種基于三維網格模型的超聲空中觸覺渲染方法，其特征在于：步驟(3)中啟用手勢識別后，獲取模型手的手指各關節坐標(x_b,y_b,c_b)和手掌中心位置坐標(x₀,y₀,z₀)以及手掌平面的法向量n＝(A,B,C)，取手掌平面內側為正向，通過手掌中心坐標和手掌平面的法向量計算得到參數D：

D＝-Ax₀-By₀-Cz₀

并通過計算得到手掌平面的方程S：

Ax+By+Cz+D＝0。

4.根據權利要求1所述的一種基于三維網格模型的超聲空中觸覺渲染方法，其特征在于，步驟(4)中網格頂點與手指關節點的距離：

對距離s₁的數值進行判斷，超聲聚焦點的直徑為d，判斷s₁與d/2的大小，當滿足條件：

選定對應的網格頂點作為超聲聚焦點，以此類推完成對5個手指的關節點的判斷，最終完成手指部分的超聲聚焦，其中x_a,y_a,z_a參數的意義是：網格模型的網格頂點的三維坐標，x_b,y_b,c_b參數的意義是：模型手的手指各關節坐標。

5.根據權利要求1所述的一種基于三維網格模型的超聲空中觸覺渲染方法，其特征在于步驟(5)中計算各網格頂點與手掌平面的距離，平面存在正反兩面，取手掌平面內側為正向，為防止正反兩面存在網格頂點與手掌平面距離相同的情況，取手掌平面內側為正向，引入其方法如下：

當時，網格頂點在手掌內側，當時，網格頂點在手掌平面外側，即手背，因超聲聚焦點對手掌內側進行觸覺刺激，故取手掌內側的網格頂點，然后對內側網格頂點進行判斷，判別條件是：

以此選定對應的網格頂點作為超聲聚焦點；其中x_a,y_a,z_a參數的意義是：網格模型的網格頂點的三維坐標，A、B、C參數的意義是：手掌平面的法向量:A,B,C，D參數的意義是：手掌平面方程S的參數，通過手掌中心坐標和手掌平面的法向量計算得到。

6.根據權利要求1所述的一種基于三維網格模型的超聲空中觸覺渲染方法，其特征在于步驟(6)中針對凸顯三維圖形局部特征，方法如下：

為了凸顯三維圖形的局部特征，以增加用戶對三維圖形的識別率，增強三維圖形的真實感，需要通過局部位置和非局部位置的觸覺差異性來實現，在對兩位置進行超聲聚焦時，需要在強度和調制頻率上做出調整；設單個超聲聚焦點的最大強度為q，在對圖形的棱和頂點位置進行超聲聚焦時，使其達到最大強度q，并且當調制頻率為200Hz時，超聲觸覺效果做好，因此調制頻率為200Hz，為完成兩部分的觸覺差異性，并且保證其他非局部位置的觸覺效果，非局部位置的超聲聚焦點強度調整至0.6q，并且將其調制頻率調整至100Hz～150Hz范圍內，這樣通過兩部分的觸覺感受的差異，最大限度地凸顯三維圖形的局部特征，最終提高用戶對三維圖形的識別率，提升三維圖形的真實度。