移动终端超声振动触觉再现装置及渲染方法

作     者：陈征 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙晓颖

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：人机交互 移动终端 超声振动 触觉感知 触觉再现渲染 

摘      要：随着网络技术的发展,智能化的移动终端已经转变为互联网业务的关键入口以及新型媒体、电子商务等的信息服务平台。移动终端的重要组成部分是触摸屏,可以在用户进行交互操作时通过视觉和听觉通道提供信息反馈,但是对于依赖触觉进行感知的视听障碍者来说依然存在不足。超声振动触觉再现技术为这一问题提供了解决方案,通过控制手指与触摸屏之间的摩擦力再现虚拟物体的触觉感受,便于和移动终端相结合形成丰富的触觉应用。 为促进移动终端超声振动触觉再现技术的产业化应用,需具备稳定可靠的触觉再现装置和真实有效的触觉再现渲染方法。目前的移动终端超声振动触觉再现装置交互区域小、功耗大且触觉反馈效果弱;渲染方法主要利用驱动信号的幅度参数表征触觉信息,忽略了频率、波形等参数的重要性,渲染维度有限,触觉感受单一,限制了图像各特征之间感知差异的区分。 本文针对上述问题,设计制作了移动终端超声振动触觉再现装置并评测了性能,在此基础上深入研究了装置呈现条纹轮廓和光栅粗糙度时的触觉感知影响因素,以及超声振动触觉再现的纹理渲染方法及性能,旨在为超声振动触觉再现技术在移动终端上的相关研究与应用提供参考。 本文的主要工作如下: (1)设计并搭建了触觉性能良好的移动终端超声振动触觉再现装置,触觉交互面积为234×180 mm,可以输出幅度为150 V、频率为50 k Hz的驱动信号。通过分析超声振动触觉再现的摩擦调制机制,选择了尺寸为26×16×0.7 mm的压电陶瓷片。依据人们的交互需求,通过理论计算、仿真分析、实测验证完成了装置实物搭建;设置通信协议,实现装置的硬件驱动并测量驱动信号参数的稳定性;评测装置的触觉感知阈值,为后续触觉渲染时驱动信号参数的选取奠定理论基础。 (2)研究了影响超声振动触觉再现效果的因素,基于自主搭建的超声振动触觉再现装置,通过Unity 3D平台设计交互界面,以虚拟条纹和光栅作为切入点,分析了条纹轮廓的两种摩擦力阶跃变化和40种光栅粗糙度的触觉感知影响因素。10名实验者的摩擦力变化感知实验结果表明,摩擦力阶跃下降更易被感知,驱动信号电压幅度对超声振动触觉再现效果有着重要影响,过渡时间即摩擦力变化率对感知强度影响较大。虚拟周期性纹理的检测阈值和粗糙度感知实验结果表明,方形光栅的绝对检测阈值最低且最粗糙,粗糙度感知强度随波长的增大而减小,随占空比的变化呈倒U型趋势。为超声振动触觉再现效果影响因素的选择提供了参考。 (3)设计了移动终端超声振动触觉再现的纹理渲染方案,建立了材质纹理属性与驱动信号间的映射关系,主观对比感知实验结果表明,本文所用渲染方法的平均主观打分值比基于图像特征的渲染方法高18.493%,改善了虚拟材质纹理的触觉感知效果。选择6种不同纹理的真实材质,搭建触觉数据测量系统采集实际交互过程中的触觉数据,并进行分析与处理。采用主观感知实验,确定驱动信号电压、调制频率与材质表面摩擦系数之间的映射关系。15名实验者在两种渲染方法下对6种不同材质的虚拟纹理进行10分制的触觉纹理感知主观打分,以验证本文所用触觉再现渲染方法的有效性。