一種增強模擬柔性體可旋轉變形的發(fā)條彈簧模型的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種增強模擬柔性體可旋轉變形的發(fā)條彈簧模型，其特征是虛擬代理未碰撞到虛擬柔性體之前，僅反饋輸出熱噪聲信號和1/f噪聲信號兩部分組成的增強噪聲信號。而交互過程中，反饋輸出符合人體對刺激反應規(guī)律的熱噪聲信號和1/f噪聲信號，與采用可旋轉變形的發(fā)條彈簧模型計算出來的反應在給定扭矩作用下，虛擬柔性體實時變形仿真的力觸覺信息，兩者疊加在一起的信號，該發(fā)條彈簧模型中所有圈上產生扭轉變形量之和的疊加對外等效為柔性體表面的變形。本發(fā)明計算簡單，加快了扭轉變形計算的速度；通過調節(jié)發(fā)條彈簧可旋轉芯軸半徑等參數，就可模擬不同柔性體；加入增強噪聲信號，可提高交互的沉浸感和真實感。
【專利說明】一種增強模擬柔性體可旋轉變形的發(fā)條彈簧模型
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于計算機仿真【技術領域】，尤其涉及一種增強模擬柔性體可旋轉變形的發(fā)條彈簧模型。
【背景技術】
[0002]虛擬手術仿真是虛擬現實技術在現代化手術訓練中的重要應用，主要由醫(yī)學數據可視化與建模，人體柔性體器官受力形變仿真兩部分構成，在視覺和力觸覺器官上為用戶提供手術場景的真時再現。與傳統(tǒng)手術相比，虛擬手術可以最大性能模擬出真實柔性體的各種物理特性，同時還可以根據醫(yī)生的需要提供可以反復利用的實驗對象，大大降低外科手術訓練成本。
[0003]針對虛擬現實人機交互的基于物理意思的柔性體變形仿真的力觸覺模型已成為當前虛擬現實技術研究的前沿和熱點。目前基于物理意義的柔性體變形仿真力觸覺模型主要有3種:①彈簧-質點模型具有簡單易行、計算量較小、易于實現等優(yōu)點，但精度和穩(wěn)定性有限，另外還存在拓撲分析困難等弊端。②有限元模型雖然較為準確，但涉及大量繁雜的計算，實時交互性能差。③邊界元模型雖對模型的邊界進行離散，簡化了計算，但在穩(wěn)定性方面卻存在一定的不足。以上說明，這些常用的柔性體變形物理模型均存在計算較為繁雜和仿真精度不高等問題，繼而影響了計算的實時性和有效性。因此，在保證變形模型準確性的同時，簡化算法，提高計算的實時性是當前虛擬力觸覺交互系統(tǒng)亟待解決的首要問題。
[0004]人機工程學的研究表明:人的力觸覺感知存在著信號與噪聲之間的協(xié)同行為，即適量噪聲的加入會提高人的力觸覺感知能力，其主要原因是人手皮膚對一個持續(xù)作用力具有很強的適應性，而對噪聲信號比較敏感，所以當加入合適的噪聲信號，會產生比較真實的感覺。
[0005]最新的大量實驗表明:不同的隨機模擬聲音譜的醫(yī)療效果不同，發(fā)現白噪聲由于太沒有規(guī)律，會使病人產生恐懼感；而熱噪聲的功率譜符合人體對刺激的反應規(guī)律，使人在接受刺激的過程中不感到恐懼和緊張，Ι/f噪聲反而會有輕松甚至甜美的感覺，它可以從某種程度上減輕患者的痛苦，甚至在噪聲停止相當長一段時間內仍能保持一定的作用。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種增強模擬柔性體可旋轉變形的發(fā)條彈簧模型。本發(fā)明模型為了提高手術仿真過程中，力觸覺交互的穩(wěn)定性和感知真實性，在可旋轉變形的發(fā)條彈簧模型的基礎上，加入熱噪聲信號和Ι/f噪聲信號兩部分組成的增強噪聲信號。
[0007]為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案是:
[0008]一種增強模擬柔性體可旋轉變形的發(fā)條彈簧模型，包括如下步驟:
[0009]步驟I，對虛擬場景進行初始化；
[0010]步驟2，當檢測到虛擬代理碰撞到虛擬柔性體之前，即在靠近虛擬柔性體的過程中，反饋輸出一種增強噪聲信號，其由熱噪聲信號和Ι/f噪聲信號兩部分組成，表示為:
[0011]
【權利要求】
1.一種增強模擬柔性體可旋轉變形的發(fā)條彈簧模型，其特征在于，包括如下步驟: 步驟I，對虛擬場景進行初始化； 步驟2，在檢測到虛擬代理碰撞到虛擬柔性體之前，即在靠近虛擬柔性體的過程中，反饋輸出一種增強噪聲信號，其由熱噪聲信號和Ι/f噪聲信號兩部分組成，表示為:
2.根據權利要求1所述的一種增強模擬柔性體可旋轉變形的發(fā)條彈簧模型，其特征在于，所述前P圈發(fā)條彈簧產生扭轉變形總計需要的時延時間不大于lrns。
3.根據權利要求1所述的一種增強模擬柔性體可旋轉變形的發(fā)條彈簧模型，其特征在于，所有發(fā)條彈簧中，每圈產生扭轉變形需要的時延時間構成等比數列，即滿足:
(7) 其中，\表示第i圈發(fā)條彈簧產生扭轉變形需要的時延時間，q為等比數列的公比，h為第I圈發(fā)條彈簧產生扭轉變形需要的時延時間，I ^ i
4.根據權利要求1或2或3所述的一種增強模擬柔性體可旋轉變形的發(fā)條彈簧模型，其特征在于，所述發(fā)條彈簧模型，在任一圈發(fā)條彈簧上任意一點消耗的扭轉力達到最大扭轉力后，其下一圈開始產生扭轉變形。
【文檔編號】G06F17/50GK103699741SQ201310715091
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權日:2013年12月23日
【發(fā)明者】張小瑞, 楊松, 孫偉, 宋愛國, 牛建偉, 朱建棟, 沈舒豪 申請人:南京信息工程大學