基于速度驱动的复杂场景多层级力觉交互算法

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1、《计算机学报》2009年8期速度驱动的复杂场景多层级力觉交互算法周万琳，王党校，张玉茹，王瑜(北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室，北京100191)摘要：随着触/力觉交互技术应用环境的复杂化，对复杂触/力觉场景的研究提出了新的挑战。本文以虚拟现实牙科手术训练系统为背景，研究基于速度驱动的复杂场景多层级力觉交互算法。本文采用CATIA对下牙列大量数据进行网格简化，建立了下牙列场景的层次细节（LevelsOfDetail,简称LOD）模型；基于人类触觉感知的精度随交互速度的变化规律，设计了速度驱动的LOD模型

2、触发机制；提出了虚拟工具化身SCP（SurfaceContactPoint）层级映射算法，保证了力觉交互设备的稳定性，并发现了映射约束线段的长度是保证力觉逼真性及实时性协调的关键变量；最后，设计了针对一般几何体和复杂曲面的实验量化评价本文算法的逼真性及实时性，证明了将人手运动速度作为场景模型复杂度切换驱动条件的有效性。关键词：虚拟现实、触/力觉、复杂场景、层次细节、速度驱动141.引言针对大数量单元存在的虚拟场景，场景的实时刷新问题是制约力觉研究的一个难点。本文研究背景是虚拟牙科手术培训系统，牙科手术培训的重点是医生手

3、部精细操作能力的训练，牙齿不同病变组织存在微小几何特征和不同物理属性（如硬度、摩擦等），虚拟牙齿要提供精细的触觉感受，必须建立在拥有大量数据的精细模型基础之上。在本文研究对象中，如图1a)所示的全口内单排牙列，其表面三维测量数据顶点数143,865，面对数量如此巨大的模型，仿真系统难以满足1KHz的力觉渲染需求。如果简化数据，虽然能满足视觉和力觉渲染的实时性，但感受牙齿表面的微小几何特征（如图1b）所需的力觉逼真度难以保证。a)大数据量单排牙列b)单牙龋齿模型：精细的几何与物理特征图1牙科手术培训系统交互场景示意图在复

4、杂场景图形场景渲染研究中，对于不必要使用高分辨率模型的场合，通常采用网格简化技术来提高渲染效率，主要分为两类方法：静态和动态化简方法[1]。对模型准确度和计算时间折中的做法是采用层次细节（LOD）技术，其方法有两种：静态构造几个LOD模型以及动态构造连续的LOD模型，后者一般采用渐进式网格来实现[2]。例如Xia[3]将连续LOD发展为一个基于视点的为地形建模服务的LOD，这种方法精细化用户凝视的地方，其他部分保持粗糙的模型。然而将LOD技术推广到力觉交互中，面临力觉循环1000Hz的计算需求，产生了新的问题。ElSa

5、na等人将多分辨率用于力觉渲染，在探针附近区域采用精细网格，在其余区域采用粗网格[4]。Otaduy开发了针对凸面片的多分辨率包围盒构建方法，但是不支持渐进的传输，因此不适合具有有限内存空间的力觉渲染环境[5]。Liu等介绍了一种新型的“局部细分”方法来满足力觉渲染对快速碰撞检测的要求[6]，精确的碰撞检测只在局部细分的网格上进行。Zhang等提出在粗糙网格模型上细分感兴趣的区域的方法，通过控制模型的节点数，来调和柔软物体变形时力反馈计算要求快速与图形显示要求计算细节的矛盾，以保证仿真能够高效率的进行[7]。Pavel

6、[8]等人将人的探查速度作为多分辨率模型之间切换的触发条件，利用归并树数据结构构造多分辨率的交互模型，但其数据结构比较复杂，不容易保证算法稳定性。综合上述研究情况，基于LOD模型的力觉交互技术，尚未解决的两个关键问题是：1.选择何种类型的LOD模型？所选模型既要能保留模型的几何特征，又要能够适应力觉14渲染计算的快速性要求；1.不同的LOD模型的触发条件如何定义？在图形学领域中，基于视点的LOD模型触发条件很好地模拟了人类的视觉感知特性。在触觉感知中，如何定义新的触发条件，并保证交互过程的稳定性？针对上述问题，本文提出

7、了速度驱动的复杂场景多层级力觉渲染方法。根据人在不同速度下探查物体表面的不同触觉特征，通过测量交互速度来触发不同的模型层级调用，以满足力觉/视觉渲染实时性和逼真性的要求。全文组织如下：第二节，针对复杂场景逼真性与力觉交互实时性之间的矛盾，提出了复杂场景的力觉建模技术，支持力觉交互的LOD模型以及速度驱动的多分辨率渲染算法。第三节，介绍实验结果。第四节，给出全文结论和未来工作展望。2.速度驱动的力觉渲染算法2.1复杂场景层次建模牙齿手术接触仿真中用到的牙齿原始数据为激光扫描得到的牙齿轮廓数据。本系统采用三角片模型描述牙齿

8、，采用点模型描述探针工具。LOD模型的建立方法主要有离线LOD模型、关注局部区域进行细化的局部细节方法和渐进式网格等。而离线LOD模型因其算法简单稳定，成为快速检验LOD切换触发条件合理性的最佳方法。本文在测试Simplifier等开源网格简化软件包以后，发现在三角片简化过程中容易出现局部细节丢失、三角片破裂等缺陷。目前图形学中已