触觉交互系统中牙齿网格模型被切削过程的图形仿真

介绍了在牙科手术训练触觉交互系统的虚拟手术环境中，通过构成牙齿的网格变形和剖分实现牙齿被切削时材料去除过程的图形仿真。在虚拟环境中，当工具切削牙齿时，所有进入工具空间范围的顶点都会沿着与工具轴线垂直的方向映射到工具表面，同时这个过程中产生的所有狭长三角片及其相关三角片都会被细分。通过网格变形和剖分算法可以动态的实现牙齿被切削过程的形状变化，图形显示逼真同时没有滞后。     

基于局部模型的多更新率切削仿真力觉渲染算法

提出了一种牙科手术虚拟现实模拟训练系统的力觉计算方法。为了保证切削仿真的逼真度、力觉计算的快速性和交互稳定性,提出了基于局部模型的多更新率体系架构的计算方案。仿真系统分解为三个不同计算频率的线程,即切削仿真、力觉伺服和图形显示线程。提出虚拟工具和切削工具的概念,实现交互力计算和牙齿三角片网格模型切削变形的协调;基于虚拟工具和牙齿三角片碰撞检测信息构造局部模型,实现力觉设备控制与切削仿真线程的解耦,降低了对切削仿真线程计算频率的要求;利用多线程技术保证图形显示和力觉显示的数据传输和时间同步。针对局部模型更新时的振荡问题,采用改进的恢复时间方法对局部模型进行插值,增强了仿真系统稳定性。基于力觉交互设备Phantom建立试验平台,开发了牙科手术力觉交互仿真软件,通过试验验证了本文算法的有效性。     

实时力觉交互中的虚拟力计算及渲染方法

虚拟力计算和渲染是虚拟现实力觉显示系统的核心技术。针对人与虚拟环境通过工具进行接触交互的任务,讨论了提高力觉显示逼真度的方法。静态物体采用三角片模型,运动的虚拟工具采用质点模型。用均匀划分包围盒方法和基于三角片元素拓扑关系及最短距离迭代的方法,分别解决虚拟力计算的碰撞检测和碰撞响应问题。针对物体几何特征逼真度显示给出了渲染判据,实现了逼真度和稳定性的矛盾折衷。基于力觉交互设备Phantom,开发了力觉仿真系统平台,通过感知具有典型几何特征的物体形状,验证了虚拟力计算和渲染方法的有效性。     

虚拟物体力/触觉交互算法的研究进展

虚拟物体在受力作用时的力/触觉交互算法是虚拟环境中力/触觉人机交互的关键。分析了虚拟物体力/触觉交互算法的研究难点。介绍了当前十一种有代表性的力/触觉交互算法,并在此基础上对这些算法的优缺点进行了比较。最后对力/触觉交互算法的发展趋势进行了展望。     

VRML模型创建工具中可视化交互操作的设计和实现

虚拟现实模型语言VRML可用于构建基于Web的虚拟现实,由于直接用传统的文本编辑加浏览器验证的构建方法,未能提供所见即所得的建模手段和可视化的交互操作模式,不便于VRML虚拟场景的创建。鉴于此,在研究VRML现有规范的基础上,用VisualC 6.0作为系统开发平台,用目前通用的3D图形API标准OpenGL实现模型的真实感显示和动态预览,建立了一个VRML模型创建工具,并提供了可视化的交互操作模式,使得用户无须直接接触VRML代码,即可建立基于Web的虚拟场景。     

基于DCOM的支持虚拟样机的仿真工具分布交互的研究与实现

分布环境下不同领域之间的仿真工具的交互是实现虚拟样机（VP）支撑环境的关键技术。采用DCOM的ActiveX/Automation技术是解决分布应用交互的有效途径。本文基于DCOM技术，研究并提出了控制领域与机械仿真工具的集成方案。结合轿车虚拟产品开发的应用背景，实现了Matlab与VisualNastran的分布交互。     

基于Petri网的虚拟装配环境交互管理模型研究

对设计者交互操作的准确理解和快速响应,是提高虚拟装配的可操作性和实用性的关键问题.定义了一种层次时间有色Petri网(HTCPN),并以此为工具建立了虚拟装配环境下的交互管理模型.该模型以设计者操纵数据手套的位姿变换信息、对象间的碰撞检测信息以及装配约束识别信息作为输入,运行后输出具体的操作事件实现设计者在虚拟装配环境中的浏览、移动零部件、装配和拆卸调整等一系列交互操作活动.实践证明该模型满足了虚拟环境的实时和并发等动态性能要求,实现了虚拟装配过程中大量离散事件的处理及操作意图的响应.     

分布式战役仿真系统的数据交互管理策略

目前大规模分布式战役仿真系统的数据交互一般采用基于HLA思想的数据发布/订购机制,存在静态资源绑定和通信带宽要求高等问题。提出将仿真实体的输出数据分类汇总形成"态势层",每个"态势层"构成一个全局共享的分布式虚拟环境,实体与虚拟环境进行数据交互。该方法与传统的以实体为中心的数据交互思想相比,实现了实体间数据交互的松耦合,降低了数据交互定义的逻辑复杂度,有效减小了网络交互数据量。     

装备维修教学训练虚拟现实系统的设计

“装备维修教学训练虚拟现实系统”是新装备维修教学训练的一种有效方法。本文从系统功能、系统配置和系统软件组成等方面介绍了系统的总体设计;详细说明了虚拟装备的建立、立体显示系统的构成、立体投影原理及基于GL的三维图形的立体显示实现;讨论了通过数据手套实现装备维修和工具使用的实时交互系统设计方法。     

集成图形和力觉交互的牙齿探诊模拟系统开发

研究目的是开发具有力觉显示功能的虚拟现实系统，培训牙科医生进行牙体探查操作。通过分析牙科手术临床操作的特征和培训现状，提出了基于虚拟现实技术的培训方案。采用力觉交互设备Phantom，基于Windows2000建立了试验平台，实现了两种典型接触交互操作的模拟：探针对牙齿表面不同组织区域进行探查和利用探针去除牙面软沉积物。文章重点讨论力觉显示系统的硬件和软件体系结构，牙齿和工具的建模方法，以及保证仿真实时性的方法。实验证明该系统可以比较逼真的模拟牙齿探查的手术操作，为培训牙科医生提供了一种新的途径。     

虚拟柔性触觉再现技术的研究

研制了一套小型柔性触觉再现装置。针对虚拟操作的需求,提出了一种高斯分布变形模型,该模型建模简单、算法实时性好、实时交互能力强。在此基础上构建了一个完整的集成触觉显示和视觉显示的虚拟触觉再现系统。通过仿真实验验证了触觉再现装置人机交互过程的有效性和可靠性以及算法的可行性。     

触觉照相机:表面力觉属性采集装置

触力觉模拟对于增强虚拟现实系统的沉浸感具有重要作用。准确获取物体表面的力觉属性信息是建立逼真的触力觉模拟系统的基础。介绍了触觉照相机的概念和工作原理,针对刚度和摩擦两类表面力觉属性,阐述了测量原理,设计出可测量物体刚度和表面摩擦系数的实验方案及实验装置,该装置主要由两个独立的滚珠丝杠螺母结构、一个6自由度力传感器以及电机等部件组成。开展了典型物体的刚度测量和表面摩擦测量实验,初步检验了设计方案的合理性。     

面向口腔临床操作的力觉交互装置控制系统设计与实现

正向和反向驱动性能决定了力觉人机交互系统的逼真性。控制系统的设计如同机械装置设计一样，是正向和反向驱动性能一项重要的影响因素。作者论述了力觉交互装置的控制系统设计与实现方法，并有效的控制设备完成了虚拟墙和虚拟牙面探查实验。首先，针对该系统的驱动性能指标，分析确定了系统的控制结构和实施方案，着重讨论了电机和驱动器的匹配选型和驱动性能，提出了电机选型的两条依据；然后讨论了系统硬件驱动函数库的开发与实现；最后通过虚拟墙和牙面探查操作实验，验证了系统在约束空间和自由空间的驱动性能。     

基于线素的力觉人机交互建模和实时渲染方法

针对空间路径引导的力觉交互过程,提出了线模型的建模思想以及实时渲染方法。在建模方法中,提出线素的概念,把三维空间复杂轨迹分解为基于线素(LIXEL)的有序拓扑装配连接。线素间的拓扑关系采用特征点描述,基于特征点实现基本线素的拼接和顺序定义。在实时渲染方法中,提出了一种基于DeCasteljau算法的三阶Bezier曲线模型的快速碰撞检测算法,以满足1kHz力信号更新率的要求,并提出了在书法力觉交互过程中基于检测特征点平面的稳定性处理方法。基于线模型方法构建了具有力反馈的书法训练系统,并进行了试验验证,证明采用线模型方法构建的力觉交互系统能够稳定、逼真地模拟钢笔书法训练时的力觉导引过程。     

一种支持触觉反馈的膜组织变形仿真方法

针对一类面模型的软组织变形触觉仿真问题,提出了一种基于半边数据结构和AABBs（Aligned Axis Bounding Boxes）树结构混合的碰撞检测响应方法,命名为层次半边观察法,以适应触觉反馈计算的高帧率要求。触觉反馈仿真了膜组织的粘弹性力和粘滞性摩擦效果。粘滞性摩擦由修改的滞滑摩擦模型实现。膜组织的变形基于简单的质点弹簧模型建模。实验表明,提出的方法与单一的使用AABBs树结构方法相比,具有较高效率。记录的力反馈曲线清晰的反映了膜组织的粘滞性摩擦特征。该方法将是建立白内障虚拟手术仿真器的基础。     

力反馈汉字书法模拟的任务规划和逼真度评价方法

交互过程的任务规划和逼真度评价是力反馈模拟系统的两个重要问题。目标是针对汉字书写模拟建立人的触觉技能表达和逼真度评价模型。提出了分层任务规划方法。在任务层，将汉字的力觉引导过程分为形状引导和笔顺引导；在表达层，提出了状态变化图谱，描述笔尖与纸面的交互状态序列；在设备层，将上述状态序列映射为交互设备的控制指令序列。基于分层规划建立了交互状态空间映射匹配度模型，作为逼真度评价指标。采用力反馈设备Phantom desktop进行了系统实验，证明上述规划方法可以满足实时力觉引导的控制规律设计要求，逼真显示汉字书写过程的交互力。提出的逼真度指标可以定量地评价力觉显示的训练效果。