一种基于手的力反馈虚拟现实系统的研究

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1、摘要摘要基于手的带有力觉反馈的虚拟现实系统在虚拟现实中还是一个比较新的研究领域。本文的研究目标是，在保证系统一定真实程度的视觉反馈和力觉反馈的同时，尽量减少计算复杂度，提高系统的实时性。其中，主要在虚拟手与物体间的碰撞检测，以及柔软物体变形计算作了重点研究。本文主要包括如下几个方面的工作：1．提出了一种混合包围盒OBB—AABB计算虚拟手与刚体之间的碰撞检测。它继承了OBB紧密性较好和AABB简单性较好的优点。可以在紧密性和简单性之间达到～定的折衷。它为解决虚拟环境中复杂度相差较大的物体间的碰撞检测问题，提供了一条有效途径。2．提出了一种0813

2、与／xABB之间的碰撞检测方法。这种方法选用改进的Liang—Barsky线段裁减算法计算包围盒之间的相交情况。与目前最常用的检测OBB间碰撞的分离轴理论算法相比，计算量小了很多。3．以中轴变换(MAT)理论为基础，结合NURBS曲面对柔软物体造型，并提出一种简单有效的方法完成手作用点与柔软物体之间的单点碰撞检测。在运行过程中先用运行前构造的物体的球包围盒排除不必要的检测，再用物体中轴面计算手作用点与柔软物体的碰撞检测。4．如果手的作用点与柔软物体相交，移动4个对于曲面上接触点最具影响力的控制点来完成对曲面的修改。选用虚拟现实系统构造语言Open

3、GLApl中提供的NURBS接口绘制变形结果，达到了较好的效果。5．采取不同方法计算刚体与柔软物体的反馈作用力。对于刚体，直接对用户施加适当的力，以避免手进入物体内部。对于柔软物体采用质点弹簧模型计算反馈作用力。实验表明，用户可以得到实时且较真实的力的作用。6．以CAS—Grasp为人机交互接口构造了一个提供力觉反馈的虚拟现实系统，并以此为应用背景验证了上述算法。系统视觉更新速度20Hz，力觉更新速度1000Hz，可以满足交互的要求。关键字：力觉反馈，碰撞检测，OBB，物体变形，NURBS曲面一种基于手的力反馈虚拟现实系统的研究AbstractT

4、hehand-basedvirtualrealitysystemwithhapticforcefeedbackisanewfieldinVRresearch，Theresearchtargetofthethesisisprovidetherealisticvisualandhapticfeedbackofthesystemattheminimalcost，andimprovethesystem’sreal—timepropertyThemainresearchofthethesisisaboutcollisiondetectionbetweenv

5、irtualhandandobjects，andsimulationofdeformableobjects．Themainworkandcontributionarefollowing：1．AhybridboundingboxOBB—AABBispresentedforcollisiondetectionbetweenhandandrigidobjects．IttakestheadvantagesofOBBandAABB，andmakesacompromisebetweentightfittingpropertyandsimplicity．Iti

6、saneffectiveapproachtodetectthecollisionsbetweenthemodelsthatdiffergreatlyintheircomplexities．2．AcollisiondetectionmethodbasedonOBB-AABBispresented．ItusestheimprovedLiang—BarskyclippinglinealgorithmtotesttheoverlapbetweenOBBandAABB．ComparedwithSeparatingAxisTheoryalgorithm，th

7、eclippinglinealgorithmismoresimple．3．DeformableobjectmodelisbasedonMAT(medialaxistransform)，andisrepresentedbyNURBSsurface．Thethesispresentsasimple·performedmethodforsingle—pointcollisiondetectionoftheuscr’spositionwiththedeformableobjects．Itfirstusesthesphereboundingboxtodis

8、cardsomeunnecessarycomputation，thenusesthemedialaxissurfacetodetectt