[發明專利]一種基于聚焦超聲波產生虛擬形狀感知的系統

在審

• 申請號: 202110236925.6
• 申請日: 2021-03-03
• 公開（公告）號: CN113110734A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發明（設計）人: 陽佳;王立偉;程奇峰;張旭輝;雍穎瓊;張宏江;邵秋虎;李旗挺;李永遠;孫光;宋盛菊;劉焱飛;杜立超;劉洋;陳雷
• 申請（專利權）人: 中國運載火箭技術研究院
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 徐曉艷

本發明涉及一種基于聚焦超聲波產生虛擬形狀感知的系統，該系統包括虛擬場景模塊，制作虛擬場景，生成虛擬場景坐標系，在虛擬場景內構建虛擬對象的三維模型；手勢識別模塊，將真實空間手的姿態信息在虛擬場景中實時展示，得到真實空間手的虛擬映射，記為虛擬手；主控模塊，獲取真實空間手與虛擬手的映射關系，將虛擬對象Np個接觸點在虛擬場景坐標系中的坐標，記為虛擬空間觸覺感知點，根據虛擬手與真實空間手姿態的一一對應關系，將虛擬空間觸覺感知點轉換為真實空間觸點坐標，并將Np個真實空間觸點坐標發送給超聲觸感模塊，Np大于等于1；超聲觸感模塊，用空間分時掃描法使用戶獲得用若干離散超聲波相控陣焦點模擬二維或三維形狀的觸覺感知。

技術領域

本發明涉及一種基于聚焦超聲波產生虛擬形狀感知的系統，屬于人機交互領域。

背景技術

虛擬現實(virtual reality，簡稱VR)技術利用三維圖形生成技術、多傳感交互技術以及高分辨顯示技術，生成三維逼真的虛擬環境。在VR系統人機交互走向多通道交互的體系結構，如語音識別、視覺跟蹤、姿勢跟蹤和觸覺反饋等。相較于聽覺或視覺而言，觸覺反饋更加復雜，因而難以實現高保真的模擬。但沒有觸覺，在VR中用戶不可能真的有身臨其境的感覺。目前有兩種最具前景的觸感及力反饋技術。一種是基于MEMS慣性傳感器發展的可穿戴的高精度動作捕捉產品。具有代表性的是數據手套，數據手套裝置能實時感知人體手勢的位置、速度、加速度等多種信息，可以實時捕捉人手精細運動，能對多種靜態和動態手勢準確識別。手套內層安裝一些可以振動的觸點來模擬觸覺，所以也具備腕部震動觸覺反饋功能。

另一種是基于姿態捕獲的超聲觸感技術。目前市場上手勢軌跡識別方法一般采用多角成像技術。這種技術的基本原理是使用兩個或者兩個以上的攝像頭同時攝取圖像，通過比對這些不同攝像頭在同一時刻獲得的圖像的差別，使用算法來計算深度信息，如手勢識別裝置Leap Motion，同時使用紅外光來檢測人手，不容易受光照變化和復雜背景的干擾，采集到的帖圖像具有較小的噪聲；使用超廣角相機快門傳感器，運行時可達120幀每秒，一次性采集所有的像素，能夠實時分析圖像細節，并獲取手勢變化關鍵坐標信息。但是基于這樣的手勢識別裝置進行手勢操控無法實現真實的觸感。為了在VR系統實現裸手交互，與這種手勢識別相匹配的是超聲觸感技術。超聲觸感技術可以運用在航天員遙操作、沉浸式混合現實訓練、無人裝備智能操控、汽車輔助駕駛、智能家居等諸多場景中，保障操作任務的安全可靠性，并帶來對虛擬對象真實的觸覺感受。

超聲觸感控制器可以控制超聲波相控陣發射超聲波在空中任一位置聚焦。聚焦超聲刺激人體皮膚表面，在焦點處產生人的手指或手掌所能感知的非線性聲輻射力，并誘導生成剪切波，從而產生觸感。

專利“基于隔空手勢和超聲波觸覺反饋的多無人機操控系統及方法(CN201811410383.4)”公開了超聲觸感設備樣機的硬件架構及脈沖調制技術，針對空中手勢實現了用不同頻率的超聲振動模式產生單個聚焦點以獲取不同觸覺反饋的方法，實現了人手可檢測到的最佳頻率范圍內的超聲振動模式，提高了人手對物體不同紋理的感覺程度，但沒有涉及對虛擬對象形狀進行感知的實現方法。

專利“基于超聲波多普勒手勢識別與多點觸感融合的系統及方法(201911368931.6)”公開了基于偽逆矩陣法的迭代加權算法及抑制旁瓣的聲場增益算法，實現了多焦點優化控制算法，即所有陣元發射超聲波到若干點聚焦，使得人手能夠同時感覺多個焦點，并能用多個焦點構建空間幾何圖形，獲取復雜形狀的觸覺感知。這種算法輸出穩定，但算法控制難度較大，容易產生旁瓣，旁瓣降低了觸感的精確程度，且生成的多個焦點處聲場強度沒有所有陣元發射超聲波到單個聚焦點的強度高。

發明內容

本發明的技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種基于聚焦超聲波產生虛擬形狀感知的系統，在VR場景中采用空間分時掃描方法，通過控制調制超聲波沿掃描次序依次聚焦到多個觸覺感知點，來獲取對虛擬對象真實的觸覺感知，且能保持和單點聚焦同樣高的聚焦強度。