觸覺接口

觸覺接口是指那些用於虛擬環境中手指感覺、體驗和操作的人機接口。觸覺信道一方面能夠感覺用戶手的位姿和作用力，另一方面可以把力信息反饋給用戶。藉助合適的感測器和執行器，並利用手指相對於物體的狀態函式來產生力指令，可以使虛擬物體產生堅硬或柔軟等觸摸信息。

基本介紹

• 中文名：觸覺接口
• 外文名：Tactile interface
• 定義：在虛擬環境中模擬觸覺的人機接口
• 屬性：多模式人機接口
• 作用：使操作者可以有觸摸的感覺
• 套用學科：網路和接口

概述

觸覺接口是指那些用於虛擬環境中手指感覺、體驗和操作的人機接口。觸覺信道一方面能夠感覺用戶手的位姿和作用力，另一方面可以把力信息反饋給用戶。藉助合適的感測器和執行器，並利用手指相對於物體的狀態函式來產生力指令，可以使虛擬物體產生堅硬或柔軟等觸摸信息。

觸覺接口的設計使我們可以通過手操作與虛擬環境互動。一般情況下，相同的接口硬體不僅可以從操作者邊緣接收運動信息，而且可以從虛擬物體產生一個反作用力作用於操作者邊緣。通過觸覺接口，操作者可以有觸摸的感覺，好像他正在直接觸摸虛擬物體。

工作原理

一般觸覺接口被當成一個產生機械阻抗的設備。觸摸一個硬質表面被描述為從低阻抗區域到一高阻抗區域的突然變化，因而觸覺接口應該具有較寬的阻抗動力區域。然而在系統穩定條件下很難達到很高的阻抗，產生這種限制的原因有很多，阻抗控制的採樣率是一個主要因素。

常規的觸覺接口的信息流由以上三部分組成：

（1）對操作者邊緣的狀態跟蹤；

（2）對虛擬物體的碰撞探測；

（3）產生觸覺接口的機械阻抗。

為了產生剛體曲面，每一步的快速計算是必不可少的。其中第1，3步的計算並不十分困難，第2步的計算量在很大程度上取決於物體外形的複雜性。例如，對虛擬平面或虛擬球的碰撞判斷相對來說是比較容易計算的，而對自由形式曲面(參數曲面)的碰撞判斷需要較大的計算量。因而，觸覺接口必然需要一個較長阻抗控制採樣區間，並且無法表示剛性曲面。

為了解決這個問題，媒介空間被引人觸覺接口，使得與虛擬物體的碰撞判斷的計算獨立於觸覺接口的阻抗控制。媒介空間中的幾何變換使得碰撞探測、力量表示向量的簡化、與虛擬環境中的虛擬物體的互動變得方便可行。因而即使對於較複雜外形的虛擬物體，其剛性曲面也可被表示出來。

多模式人機接口

視覺信道

視覺信道的一個重要參數是幀頻，低於10幅/s的幀頻會嚴重破壞顯示的連貫性，理想的幀頻是20幅/s以上。對於一個具有較高幀頻的系統，所顯示圖像或計算結果可能會由於系統延遲而產生數幀的滯後，研究表明在實時互動要求下系統的延遲不得大於0.1s。另外，圖像顯示必須具有較高的解析度以產生逼真的視覺效果。

聽覺信道

虛擬環境中由於碰撞而產生的聲音事件可以幫助操作者發現物體之間發生的碰撞以及碰撞的強弱。利用數位訊號處理設備，可以產生具有空間定位效果的聲音，使所聽到的聲音似乎發自三維空間的某一點。目前產生非語音聲音的方法主要有採樣法(把預先存貯的數位化聲音信息實時回放)和人工合成法(通過分析或算法人工合成聲音)兩類。大多數實用的採樣系統和人工合成系統基於MIDI(MusicallnstrumentDigitalInterface)技術。

觸覺信道

觸覺接口是指那些用於虛擬環境中手指感覺、體驗和操作的人機接口。觸覺信道一方面能夠感覺用戶手的位姿和作用力，另一方面可以把力信息反饋給用戶。藉助合適的感測器和執行器，並利用手指相對於物體的狀態函式來產生力指令，可以使虛擬物體產生堅硬或柔軟等觸摸信息。觸覺互動系統可以分為兩類，一類固定在地面上(如遊戲桿)，跟蹤單個點的位姿並反饋相應的力信息，另一類捆綁在操作者身體上(如數據手套)，跟蹤操作者手的姿勢並把反饋力作用於一個或多個手指上。比較這兩類系統，前者反饋的信息具有更高的精度和頻寬，而後者互動性能較好。

套用