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《浙江理工大学》 2015年
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虚拟织物的纹理感知研究

黄欣  
【摘要】:织物形变和纹理信息的感知,目前仍然停留在视觉感知层面,随着虚拟技术的发展,人们渴望获得织物的更多感知信息。本文创新地开展相关研究,提出了基于质子弹簧模型改进的织物形变模型,并进一步结合织物表面纹理图像信息,提出了纹理织物的力触觉感知算法,让纹理图像力触觉感知不再局限于刚性体表面,实现了纹理图像力触觉在柔性体表面的感知。此外,大多数虚拟织物触觉感知算法采用单触点交互,不能模拟现实生活中两个手指感知织物的行为,针对性地完成了虚拟织物双触点的交互系统,成功地对附有纹理的虚拟织物进行双手指指尖式交互和感知,除了在视觉上的织物形变过程,还可借助触觉交互设备感受虚拟织物的弹性和摩擦力、纹理凹凸感等手感,交互沉浸感变强,效果更好。 首先对织物纹理视触觉感知研究的意义和目的进行了介绍,对国内外织物形变、纹理图像力渲染及虚拟织物交互方式的研究现状进行了汇总和分析,进而确定了研究目标和内容。根据织物的伸缩性、弯曲性和剪切性等物理特性,针对经典弹簧质点模型存在的超弹性形变以及各向异性问题,对经典弹簧质点模型进行了改进,考虑了织物的伸缩性、剪切性、弯曲性以及表面粗糙度,有效解决了织物仿真中各向异性及超弹性的问题,提高了织物形变真实感。基于模型,对质子进行力学分析,建立运动学方程,求解质子位置。为了满足形变的实时性要求,在质子位置求解上,选择使用兼顾了速度和精度的速度韦尔莱数值计算方法。 纹理是织物的重要属性,给予人们特有的具有辨识度的视触觉感觉。本文基于织物表面纹理图像,使用SFS算法得到了纹理图像像素点的三维信息,通过基于颜色和空间的图像划分算法得到纹理图像的不同区域。在纹理图像的三维重构和区域划分的基础上,提出了基于织物形变的三维纹理映射算法,不仅还原了织物表面的三维纹理,赋予了织物表面的三维凹凸感和基于区域划分的不同手感,还实现了三维纹理随织物一同形变。提高了虚拟织物触觉感知的真实性和视触觉上的一致性。 本文提出了双触点的交互算法,突破了单触点交互的局限,让虚拟织物的交互更加贴近实际。针对两个HIP(触觉交互点)与虚拟织物的交互特点,采用了AABB轴向包围盒树碰撞检测方法,该算法在碰撞检测效率及交互实时性上表现出色。针对双触点交互下存在的多种接触状态,针对各种状态提出了相应的力触觉反馈模型,让操作者体验到更加真实的纹理织物触摸感受。 针对上述模型和算法,开发了一个双触点的虚拟纹理织物视触觉交互系统,并进行仿真实验,对双指尖触碰织物的行为进行仿真,观察交互过程中的织物形变,感受纹理织物的弹性、纹理凹凸感和各区域摩擦性。实验结果证明了本文可以实现双HIP类双手指的织物接触操作;证明了改进的弹簧质子模型体现了织物的各向异性,并抑制了织物的超弹性形变;证明了本文还原的三维织物表面纹理不仅具有几何三维凹凸性,同时还可以针对纹理不同区域设置对应的摩擦性和该区域下织物面料的弹性系数,丰富了用户的触觉体验,更加贴近实际。 本文最后基于实验结果,联系论文中尚存在的不足,对论文进行总结,并对后续需要努力改进的一些方面进行展望。
【学位授予单位】:浙江理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TP391.41

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【参考文献】
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