反饋力生成方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種反饋力生成方法及裝置，該方法包括：建立虛擬物體對應(yīng)的物體八叉球樹模型及圖形工具對應(yīng)的圖形工具八叉球樹模型，采用所述物體八叉球樹模型和所述圖形工具八叉球樹模型進(jìn)行所述虛擬物體與所述圖形工具之間的碰撞檢測，基于碰撞檢測結(jié)果進(jìn)行圖形工具的位姿優(yōu)化，并生成反饋力。該方法能夠快速并且準(zhǔn)確地檢測出虛擬物體和圖形工具之間的碰撞信息，并且使得反饋力生成的效果逼真、實(shí)時(shí)、沒有延遲。
【專利說明】
反饋力生成方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，尤其設(shè)及一種反饋力生成方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著觸覺交互技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，觸覺信息正被逐漸引入虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)， 使操作者在對虛擬環(huán)境中的虛擬物體進(jìn)行操作時(shí)，感受到虛擬物體之間作用力及運(yùn)動(dòng)，體 驗(yàn)到如同操作真實(shí)物體的觸覺感知效果。該技術(shù)可W應(yīng)用在醫(yī)療、航天、商業(yè)、教育等眾多 領(lǐng)域中。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，W牙科臨床前期訓(xùn)練過程為例，在牙科臨床前期訓(xùn)練過程中，首先使 用電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(Computed Tomogra地y，簡稱CT)等數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中重構(gòu)人體或某 一器官的幾何模型，進(jìn)而采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)賦予模型一定的物理特征(例如密度、初度、組 織比例等），再通過機(jī)械手或數(shù)據(jù)手套等力覺交互工具在計(jì)算機(jī)中模擬手術(shù)過程，其中包括 對觸覺的感知，從而達(dá)到節(jié)省訓(xùn)練費(fèi)用，提高醫(yī)生的操作熟練度，減少因臨床經(jīng)驗(yàn)不足造成 的病人損傷等效果。
[0004] 但是，采用現(xiàn)有技術(shù)，對于觸覺感知的真實(shí)度模擬不足，例如牙科臨床前期訓(xùn)練過 程中，對于探針觸碰牙齒的觸覺模擬所獲取的真實(shí)度存在一定欠缺，并且模擬過程中響應(yīng) 速度慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種反饋力生成方法及裝置，用于解決現(xiàn)有技術(shù)在模擬過程中真實(shí)度 不夠并且響應(yīng)速度慢的問題。
[0006] 本發(fā)明第一方面提供一種反饋力生成方法，包括：
[0007] 根據(jù)物體=角網(wǎng)格模型建立虛擬物體對應(yīng)的物體八叉球樹模型，其中，所述物體 八叉球樹模型由預(yù)設(shè)層數(shù)的物體球組成，最外層的物體球?yàn)樽畲蟮囊粋€(gè)物體球，依次向內(nèi) 的每一層都包括多個(gè)物體球，每層的多個(gè)物體球均勻分布在上一層的至少一個(gè)物體球內(nèi)； [000引根據(jù)圖形工具=角網(wǎng)格模型建立圖形工具對應(yīng)的圖形工具八叉球樹模型，其中， 所述圖形工具八叉球樹模型由所述預(yù)設(shè)層數(shù)的工具球組成，最外層的工具球?yàn)樽畲蟮囊粋€(gè) 工具球，依次向內(nèi)的每一層都包括多個(gè)工具球，每層的多個(gè)工具球均勻分布在上一層的至 少一個(gè)工具球內(nèi)；
[0009] 采用所述物體八叉球樹模型和所述圖形工具八叉球樹模型進(jìn)行所述虛擬物體與 所述圖形工具之間的碰撞檢測，獲取碰撞球?qū)Φ募?，所述碰撞球?qū)樗鑫矬w八叉球樹 模型和所述圖形工具八叉球樹模型碰撞后相交部分中最內(nèi)層相交的工具球和物體球；
[0010] 根據(jù)所述碰撞球?qū)Φ募嫌?jì)算所述圖形工具的優(yōu)化位姿；
[0011] 計(jì)算所述圖形工具的優(yōu)化位姿與預(yù)設(shè)的物理工具位姿的差值，并根據(jù)所述差值計(jì) 算反饋力。
[0012] 進(jìn)一步地，所述采用所述物體八叉球樹模型和所述圖形工具八叉球樹模型進(jìn)行所 述虛擬物體與所述圖形工具之間的碰撞檢測，獲取碰撞球?qū)Φ募?，包括?br>[0013] A、判斷所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中物體球與所述圖形工具八叉球樹 模型的當(dāng)前檢測層中工具球是否相交，若相交，則將所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層 中與所述圖形工具八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中相交的物體球和工具球球?qū)献鳛榕?撞球?qū)Φ募希?br>[0014] B、判斷所述碰撞球?qū)Φ募现械乃鑫矬w球與所述工具球是否相交，若相交，貝U 將所述物體球所包含的所有下一層物體球與所述工具球所包含的所有下一層工具球的球 對集合作為新的所述碰撞球?qū)Φ募?，并將所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層的下一層 作為所述物體八叉球樹模型的新的當(dāng)前檢測層，W及將所述圖形工具八叉球樹模型的當(dāng)前 檢測層的下一層作為所述圖形工具八叉球樹模型的新的當(dāng)前檢測層；
[0015] C、循環(huán)執(zhí)行B，直至所述圖形工具八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層為所述圖形工具八 叉球樹模型的最內(nèi)層W及所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層為所述物體八叉球樹模型 的最內(nèi)層，或者，直至所述碰撞球?qū)Φ募蠟榭铡?br>[0016] 進(jìn)一步地，所述判斷所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中物體球與所述圖形工 具八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中工具球是否相交，包括：
[0017] 根據(jù)公^^
圧行計(jì)算，若計(jì)算結(jié)果小于零，則確定所述物體球 與所述工具球相交，否則不相交；
[0018] 其中，rl為所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中物體球的半徑，r2為所述圖形 工具八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中工具球的半徑。
[0019] 進(jìn)一步地，所述根據(jù)所述碰撞球?qū)Φ募嫌?jì)算所述圖形工具的優(yōu)化位姿，包括： [0020] 根據(jù)公式 、- ? - ? ? ?
-- 進(jìn)行迭代計(jì)算，求解出滿足最小勢能原理并且符合約束條件的<，將所述<作為所述圖形 工具的優(yōu)化位姿;其中，所述約束條件是指所述圖形工具和所述虛擬物體的距離大于所述 圖形工具的半徑和所述虛擬物體的半徑之和，扭為預(yù)設(shè)的物理工具的位姿，G為預(yù)設(shè)剛度矩 陣，且所述預(yù)設(shè)剛度矩陣為對角矩陣，所述對角矩陣的對角線上的元素對應(yīng)的是所述圖形 工具=維平動(dòng)和=維轉(zhuǎn)動(dòng)的剛度系數(shù)，xi，yi，zi用于表示所述圖形工具對應(yīng)的所述工具球 的球屯、，Xj，yj，Zj用于表示所述虛擬物體對應(yīng)的所述物體球的球屯、，ri表示所述圖形工具對 應(yīng)的所述工具球的半徑，n表示所述虛擬物體對應(yīng)的所述物體球的半徑。
[0021] 進(jìn)一步地，所述計(jì)算所述圖形工具的優(yōu)化位姿與預(yù)設(shè)的物理工具的位姿的差值， 并根據(jù)所述差值計(jì)算反饋力，包括：
[0022] 根據(jù)公式
t算所述反饋力，其中，G表示所述預(yù)設(shè) 剛度矩陣，起為所述圖形工具的優(yōu)化位姿，始;為預(yù)設(shè)的物理工具的位姿，（Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Tx， Ty, Tz)為所述反饋力。
[0023] 本發(fā)明第二方面提供一種反饋力生成裝置，包括：
[0024] 第一建立模塊，用于根據(jù)物體=角網(wǎng)格模型建立虛擬物體對應(yīng)的物體八叉球樹模 型，其中，所述物體八叉球樹模型由預(yù)設(shè)層數(shù)的物體球組成，最外層的物體球?yàn)樽畲蟮囊粋€(gè) 物體球，依次向內(nèi)的每一層都包括多個(gè)物體球，每層的多個(gè)物體球均勻分布在上一層的至 少一個(gè)物體球內(nèi).
[0025] 第二建立模塊，用于根據(jù)圖形工具=角網(wǎng)格模型建立圖形工具對應(yīng)的圖形工具八 叉球樹模型，其中，所述圖形工具八叉球樹模型由所述預(yù)設(shè)層數(shù)的工具球組成，最外層的工 具球?yàn)樽畲蟮囊粋€(gè)工具球，依次向內(nèi)的每一層都包括多個(gè)工具球，每層的多個(gè)工具球均勻 分布在上一層的至少一個(gè)工具球內(nèi)；
[0026] 檢測模塊，用于采用所述物體八叉球樹模型和所述圖形工具八叉球樹模型進(jìn)行所 述虛擬物體與所述圖形工具之間的碰撞檢測，獲取碰撞球?qū)Φ募希雠鲎睬驅(qū)樗?物體八叉球樹模型和所述圖形工具八叉球樹模型碰撞后相交部分中最內(nèi)層相交的工具球 和物體球；
[0027] 第一計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述碰撞球?qū)Φ募嫌?jì)算所述圖形工具的優(yōu)化位姿；
[0028] 第二計(jì)算模塊，用于計(jì)算所述圖形工具的優(yōu)化位姿與預(yù)設(shè)的物理工具位姿的差 值，并根據(jù)所述差值計(jì)算反饋力。
[0029] 進(jìn)一步地，所述檢測模塊具體用于：
[0030] A、判斷所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中物體球與所述圖形工具八叉球樹 模型的當(dāng)前檢測層中工具球是否相交，若相交，則將所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層 中與所述圖形工具八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中相交的物體球和工具球球?qū)献鳛榕?撞球?qū)Φ募希?br>[0031] B、判斷所述碰撞球?qū)Φ募现械乃鑫矬w球與所述工具球是否相交，若相交，貝U 將所述物體球所包含的所有下一層物體球與所述工具球所包含的所有下一層工具球的球 對集合作為新的所述碰撞球?qū)Φ募?，并將所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層的下一層 作為所述物體八叉球樹模型的新的當(dāng)前檢測層，W及將所述圖形工具八叉球樹模型的當(dāng)前 檢測層的下一層作為所述圖形工具八叉球樹模型的新的當(dāng)前檢測層；
[0032] C、循環(huán)執(zhí)行B，直至所述圖形工具八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層為所述圖形工具八 叉球樹模型的最內(nèi)層W及所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層為所述物體八叉球樹模型 的最內(nèi)層，或者，直至所述碰撞球?qū)Φ募蠟榭铡?br>[0033] 進(jìn)一步地，所述檢測模塊具體還用于：
[0034] 根據(jù)公式
巧行計(jì)算，若計(jì)算結(jié)果小于零，則確定所述物體球 與所述工具球相交，否則不相交；
[0035] 其中，rl為所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中物體球的半徑，r2為所述圖形 工具八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中工具球的半徑。
[0036] 進(jìn)一步地.所冰笛一if貸搖比且化田干.
[0037] 根據(jù)公；
進(jìn)行迭代計(jì)算，求解出滿足最小勢能原理并且符合約束條件的《，將所述《作為所述圖形 工具的優(yōu)化位姿;其中，所述約束條件是指所述圖形工具和所述虛擬物體的距離大于所述 圖形工具的半徑和所述虛擬物體的半徑之和，柏為預(yù)設(shè)的物理工具的位姿，G為預(yù)設(shè)剛度矩 陣，且所述預(yù)設(shè)剛度矩陣為對角矩陣，所述對角矩陣的對角線上的元素對應(yīng)的是所述圖形 工具=維平動(dòng)和=維轉(zhuǎn)動(dòng)的剛度系數(shù)，xi，yi，zi用于表示所述圖形工具對應(yīng)的所述工具球 的球屯、，刮，yj，Zj用于表示所述虛擬物體對應(yīng)的所述物體球的球屯、，ri表示所述圖形工具對 應(yīng)的所述工具球的半徑，rj表示所述虛擬物體對應(yīng)的所述物體球的半徑。
[0038] 進(jìn)一步地，所述第二計(jì)算模塊具體用于：
[0039] 根據(jù)公J
計(jì)算所述反饋力，其中，G表示所述預(yù) 設(shè)剛度矩陣，挺為所述圖形工具的優(yōu)化位姿，盜為預(yù)設(shè)的物理工具的位姿，（Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Tx， Ty, Tz)為所述反饋力。
[0040] 本發(fā)明所提供的反饋力生成方法，基于物體八叉球樹模型和圖形工具八叉球樹模 型進(jìn)行碰撞檢測，確定出碰撞球?qū)Φ募?，進(jìn)而計(jì)算出反饋力。從而能夠快速并且準(zhǔn)確地檢 測出虛擬物體和圖形工具之間的碰撞信息，并且使得反饋力生成的效果逼真、實(shí)時(shí)、沒有延 遲。
【附圖說明】
[0041] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā) 明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可W根 據(jù)運(yùn)些附圖獲得其他的附圖。
[0042] 圖1為本發(fā)明提供的反饋力生成方法實(shí)施例一的流程示意圖；
[0043] 圖2為本發(fā)明提供的反饋力生成方法實(shí)施例一的中軸線建立示意圖；
[0044] 圖3為八叉球樹模型的各層示意圖；
[0045] 圖4為本發(fā)明提供的反饋力生成方法實(shí)施例二的流程示意圖；
[0046] 圖5為本發(fā)明提供的反饋力生成裝置實(shí)施例一的模塊結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[004引圖1為本發(fā)明提供的反饋力生成方法實(shí)施例一的流程示意圖，如圖1所示，該方法 包括：
[0049] SlOl、根據(jù)物體=角網(wǎng)格模型建立虛擬物體對應(yīng)的物體八叉球樹模型。
[0050] 其中，物體八叉球樹模型由預(yù)設(shè)層數(shù)的物體球組成，最外層的物體球?yàn)樽畲蟮囊?個(gè)物體球，依次向內(nèi)的每一層都包括多個(gè)物體球，每層的多個(gè)物體球均勻分布在上一層的 至少一個(gè)物體球內(nèi)。
[0051] 現(xiàn)有技術(shù)中，一般使用=角網(wǎng)格模型來虛擬呈現(xiàn)一個(gè)物體。=角網(wǎng)格模型的生成 方法可W參考現(xiàn)有技術(shù)，此處不再寶述。本發(fā)明基于物體的=角網(wǎng)格模型來生成虛擬物體 對應(yīng)的物體八叉球樹模型。
[0052] 優(yōu)選地，可W基于中軸線理論來建立物體八叉球樹模型。其核屯、思想是利用=角 網(wǎng)格模型上的點(diǎn)來建立一個(gè)維諾圖表，從而獲得層次的八叉球樹。
[0053] 圖2為本發(fā)明提供的反饋力生成方法實(shí)施例一的中軸線建立示意圖，如圖2所示， 在二維圖中尋找維諾多邊形，中軸的每一個(gè)頂點(diǎn)都在原來物體上某兩個(gè)點(diǎn)的垂直平分線 上，則中軸上運(yùn)個(gè)點(diǎn)到運(yùn)兩個(gè)點(diǎn)的距離相等，如果物體是一個(gè)由許多點(diǎn)組成的物體，那么用 同樣的尋找垂直平分線交點(diǎn)的方法就可W確定運(yùn)個(gè)物體的維諾多邊形。進(jìn)而，就可W利用 運(yùn)個(gè)維諾多邊形來近似表示運(yùn)個(gè)物體的中軸，將運(yùn)個(gè)理論拓展到=維，就可W生成=角網(wǎng) 格模型中的維諾多邊形。
[0054] 進(jìn)而，基于上述維諾多邊形，用盡可能少的球來逼近一個(gè)=角網(wǎng)格模型，同時(shí)，讓 球有一個(gè)層次化的結(jié)構(gòu)，從而生成由多層次的球構(gòu)成的八叉球樹模型。圖3為八叉球樹模型 的各層示意圖，在此基礎(chǔ)上，對于任何一個(gè)=角網(wǎng)格模型，都可W采用不同層次的球來最終 生成其對應(yīng)的八叉球樹模型。
[0055] S102、根據(jù)圖形工具=角網(wǎng)格模型建立圖形工具對應(yīng)的圖形工具八叉球樹模型。
[0056] 其中，圖形工具八叉球樹模型由預(yù)設(shè)層數(shù)的工具球組成，最外層的工具球?yàn)樽畲?的一個(gè)工具球，依次向內(nèi)的每一層都包括多個(gè)工具球，每層的多個(gè)工具球均勻分布在上一 層的至少一個(gè)工具球內(nèi)。
[0057] 由圖形工具=角網(wǎng)格模型生成圖像工具八叉球樹模型的方法可W參考前述物體 八叉球樹模型生成方法。
[005引S103、采用上述物體八叉球樹模型和上述圖形工具八叉球樹模型進(jìn)行虛擬物體與 圖形工具之間的碰撞檢測，獲取碰撞球?qū)Φ募稀?br>[0059] 其中，碰撞球?qū)槲矬w八叉球樹模型和圖形工具八叉球樹模型碰撞后相交部分中 最內(nèi)層相交的工具球和物體球。
[0060] 碰撞檢測的目的是確定虛擬物體與圖形工具是否接觸。
[0061] S104、根據(jù)上述碰撞球?qū)Φ募嫌?jì)算圖形工具的優(yōu)化位姿。
[0062] S105、計(jì)算圖形工具的優(yōu)化位姿與預(yù)設(shè)的物理工具位姿的差值，并根據(jù)該差值計(jì) 算反饋力。
[0063] 本實(shí)施例中，基于物體八叉球樹模型和圖形工具八叉球樹模型進(jìn)行碰撞檢測，確 定出碰撞球?qū)Φ募?，進(jìn)而計(jì)算出反饋力。從而能夠快速并且準(zhǔn)確地檢測出虛擬物體和圖 形工具之間的碰撞信息，并且使得反饋力生成的效果逼真、實(shí)時(shí)、沒有延遲。
[0064] 圖4為本發(fā)明提供的反饋力生成方法實(shí)施例二的流程示意圖，如圖4所示，上述步 驟S103具體包括：
[0065] S201、判斷物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中物體球與圖形工具八叉球樹模型的 當(dāng)前檢測層中工具球是否相交，若相交，則將物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中與圖形工 具八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中相交的物體球和工具球球?qū)献鳛榕鲎睬驅(qū)Φ募稀?br>[0066] 本步驟中的當(dāng)前檢測層為物體八叉球樹模型和圖形工具八叉球樹模型的最外層。
[0067] S202、判斷上述碰撞球?qū)Φ募现械奈矬w球與工具球是否相交，若相交，則將物體 球所包含的所有下一層物體球與工具球所包含的所有下一層工具球的球?qū)献鳛樾碌?碰撞球?qū)Φ募希⑽矬w八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層的下一層作為物體八叉球樹模型的 新的當(dāng)前檢測層，W及將圖形工具八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層的下一層作為圖形工具八叉 球樹模型的新的當(dāng)前檢測層。
[0068] S203、循環(huán)執(zhí)行S202,直至圖形工具八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層為圖形工具八叉 球樹模型的最內(nèi)層W及物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層為物體八叉球樹模型的最內(nèi)層，或 者，直至上述碰撞球?qū)Φ募蠟榭铡?br>[0069] 目P，對物體球和工具球逐層進(jìn)行相交判斷，從而找到最內(nèi)層的碰撞球?qū)Α?br>[0070] 優(yōu)選地，圖形工具八叉球樹模型和物體八叉球樹模型的層數(shù)可W設(shè)置為3層。運(yùn)樣 在進(jìn)行碰撞檢測時(shí)，只需要進(jìn)行3層判斷，就可W完成碰撞檢測。
[0071] 本實(shí)施例的方法，不僅能夠更加迅速的完成碰撞檢測，并且，所得到的碰撞球?qū)Φ?集合還可W用于后續(xù)的位姿優(yōu)化。
[0072] 另一實(shí)施例中，上述判斷物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中物體球與圖形工具八 叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中工具球是否相交的優(yōu)選方法為：
[0073] 根據(jù)公式
里行計(jì)算，若計(jì)算結(jié)果小于零，則確定物體球與工 具球相交，否則不相交。
[0074] 其中，rl為物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中物體球的半徑，r2為圖形工具八叉 球樹模型的當(dāng)前檢測層中工具球的半徑。
[0075] 即通過判斷物體球和工具球的球屯、之間的歐幾里得距離與二者半徑之和的關(guān)系 來確定二者是否相交，如果二者球屯、之間的距離小于其半徑之和，則說明二者發(fā)生碰撞，否 則說明二者并沒有發(fā)生碰撞。
[0076] 另一實(shí)施例中，上述步驟S104中根據(jù)碰撞球?qū)Φ募嫌?jì)算圖形工具的優(yōu)化位姿具 體為：
[0077] 根據(jù)公5
進(jìn)行迭代計(jì)算，求解出滿足最小勢能原理并且符合約束條件的矣，將起作為圖形工具的優(yōu) 化位姿;其中，約束條件是指圖形工具和虛擬物體的距離大于圖形工具的半徑和虛擬物體 的半徑之和，盜為預(yù)設(shè)的物理工具的位姿，G為預(yù)設(shè)剛度矩陣，且該預(yù)設(shè)剛度矩陣為對角矩 陣，該對角矩陣的對角線上的元素對應(yīng)的是圖形工具=維平動(dòng)和=維轉(zhuǎn)動(dòng)的剛度系數(shù)，XI， Yi, Zi用于表示所述圖形工具對應(yīng)的所述工具球的球屯、，Xj, yj，zj用于表示虛擬物體對應(yīng)的 物體球的球屯、，ri表示圖形工具對應(yīng)的工具球的半徑，rj表示虛擬物體對應(yīng)的物體球的半 徑。
[0078] 上述公式的意義在于:位姿約束的條件就是當(dāng)物理工具與物體發(fā)生嵌入時(shí)，應(yīng)保 證視覺上看到的圖形工具不能與物體發(fā)生任何嵌入。
[0079] 可選地，上述公式的迭代可W執(zhí)行20次。
[0080] 本實(shí)施例使用位姿優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了六自由度的力覺仿真。
[0081] 另一實(shí)施例中，上述步驟S105的具體實(shí)現(xiàn)方式可W為：
[0082] 根據(jù)公式
開算所述反饋力，其中，G表示預(yù)設(shè)剛度 矩陣，嗔為圖形工具的優(yōu)化位姿，扭為預(yù)設(shè)的物理工具的位姿，（Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Tx，Ty，Tz)為需 要求解的反饋力，即根據(jù)圖形工具的位姿(位置/空間坐標(biāo)和姿態(tài)/角度)求出的空間=維力 和力矩。
[0083] 上述公式為使用彈黃模型的力覺計(jì)算方法，該方法計(jì)算快速，能夠滿足六自由度 模擬場景中的各種需要。
[0084] 上述方法可W應(yīng)用于多種虛擬現(xiàn)實(shí)場景中，例如可W應(yīng)用于口腔手術(shù)模擬中。該 方法已經(jīng)在口腔收入模擬中得到實(shí)施，結(jié)果顯示，該方法使得口腔手術(shù)模擬的逼真度和響 應(yīng)速度得到大幅提升。
[0085] 圖5為本發(fā)明提供的反饋力生成裝置實(shí)施例一的模塊結(jié)構(gòu)圖，如圖5所述，該裝置 包括：
[0086] 第一建立模塊501，用于根據(jù)物體=角網(wǎng)格模型建立虛擬物體對應(yīng)的物體八叉球 樹模型，其中，物體八叉球樹模型由預(yù)設(shè)層數(shù)的物體球組成，最外層的物體球?yàn)樽畲蟮囊粋€(gè) 物體球，依次向內(nèi)的每一層都包括多個(gè)物體球，每層的多個(gè)物體球均勻分布在上一層的至 少一個(gè)物體球內(nèi)。
[0087] 第二建立模塊502,用于根據(jù)圖形工具=角網(wǎng)格模型建立圖形工具對應(yīng)的圖形工 具八叉球樹模型，其中，圖形工具八叉球樹模型由預(yù)設(shè)層數(shù)的工具球組成，最外層的工具球 為最大的一個(gè)工具球，依次向內(nèi)的每一層都包括多個(gè)工具球，每層的多個(gè)工具球均勻分布 在上一層的至少一個(gè)工具球內(nèi)。
[0088] 檢測模塊503,用于采用物體八叉球樹模型和圖形工具八叉球樹模型進(jìn)行虛擬物 體與圖形工具之間的碰撞檢測，獲取碰撞球?qū)Φ募?，碰撞球?qū)槲矬w八叉球樹模型和圖 形工具八叉球樹模型碰撞后相交部分中最內(nèi)層相交的工具球和物體球。
[0089] 第一計(jì)算模塊504,用于根據(jù)上述碰撞球?qū)Φ募嫌?jì)算圖形工具的優(yōu)化位姿。
[0090] 第二計(jì)算模塊505,用于計(jì)算圖形工具的優(yōu)化位姿與預(yù)設(shè)的物理工具位姿的差值， 并根據(jù)該差值計(jì)算反饋力。
[0091] 該裝置用于執(zhí)行前述方法實(shí)施例，其實(shí)現(xiàn)原理和技術(shù)效果類似，此處不再寶述。
[0092] 另一實(shí)施例中，檢測模塊503具體用于：
[0093] A、判斷物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中物體球與圖形工具八叉球樹模型的當(dāng) 前檢測層中工具球是否相交，若相交，則將物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中與圖形工具 八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中相交的物體球和工具球球?qū)献鳛榕鲎睬驅(qū)Φ募稀?br>[0094] B、判斷碰撞球?qū)Φ募现械奈矬w球與工具球是否相交，若相交，則將物體球所包 含的所有下一層物體球與工具球所包含的所有下一層工具球的球?qū)献鳛樾碌呐鲎睬?對的集合，并將物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層的下一層作為物體八叉球樹模型的新的當(dāng) 前檢測層，W及將圖形工具八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層的下一層作為圖形工具八叉球樹模 型的新的當(dāng)前檢測層。
[00M] C、循環(huán)執(zhí)行B，直至圖形工具八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層為圖形工具八叉球樹模 型的最內(nèi)層W及物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層為物體八叉球樹模型的最內(nèi)層，或者，直 至碰撞球?qū)Φ募蠟榭铡?br>[0096]另一實(shí)施例中，檢測模塊503具體還用于：
[0097] 根據(jù)公式
巧行計(jì)算，若計(jì)算結(jié)果小于零，則確定所述物體球 與所述工具球相交，否則不相交；
[0098] 其中，rl為所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中物體球的半徑，r2為所述圖形 工具八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中工具球的半徑。
[0099] 另一實(shí)施例中，第一計(jì)算模塊504具體用于：
[0100] 根據(jù)公式
進(jìn)行迭代計(jì)算，求解出滿足最小勢能原理并且符合約束條件的《，將所述< 作為所述圖形 工具的優(yōu)化位姿;其中，所述約束條件是指所述圖形工具和所述虛擬物體的距離大于所述 圖形工具的半徑和所述虛擬物體的半徑之和，省為預(yù)設(shè)的物理工具的位姿，G為預(yù)設(shè)剛度矩 陣，且所述預(yù)設(shè)剛度矩陣為對角矩陣，所述對角矩陣的對角線上的元素對應(yīng)的是所述圖形 工具=維平動(dòng)和=維轉(zhuǎn)動(dòng)的剛度系數(shù)，xi，yi，zi用于表示所述圖形工具對應(yīng)的所述工具球 的球屯、，Xj，yj，Zj用于表示所述虛擬物體對應(yīng)的所述物體球的球屯、，ri表示所述圖形工具對 應(yīng)的所述工具球的半徑，n表示所述虛擬物體對應(yīng)的所述物體球的半徑。
[0101] 另一實(shí)施例中，第二計(jì)算模塊505具體用于：
[0102] 根據(jù)公式
計(jì)算所述反饋力，其中，G表示所述預(yù) 設(shè)剛度矩陣，< 為所述圖形工具的優(yōu)化位姿，柏為預(yù)設(shè)的物理工具的位姿，（Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Tx， Ty, Tz)為所述反饋力。
[0103] 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可W理解:實(shí)現(xiàn)上述各方法實(shí)施例的全部或部分步驟可W通 過程序指令相關(guān)的硬件來完成。前述的程序可W存儲(chǔ)于一計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中。該程 序在執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行包括上述各方法實(shí)施例的步驟;而前述的存儲(chǔ)介質(zhì)包括:R〇M、RAM、磁碟或 者光盤等各種可W存儲(chǔ)程序代碼的介質(zhì)。
[0104] 最后應(yīng)說明的是：W上各實(shí)施例僅用W說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制;盡 管參照前述各實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依 然可W對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn) 行等同替換；而運(yùn)些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù) 方案的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種反饋力生成方法，其特征在于，包括： 根據(jù)物體三角網(wǎng)格模型建立虛擬物體對應(yīng)的物體八叉球樹模型，其中，所述物體八叉 球樹模型由預(yù)設(shè)層數(shù)的物體球組成，最外層的物體球?yàn)樽畲蟮囊粋€(gè)物體球，依次向內(nèi)的每 一層都包括多個(gè)物體球，每層的多個(gè)物體球均勻分布在上一層的至少一個(gè)物體球內(nèi)； 根據(jù)圖形工具三角網(wǎng)格模型建立圖形工具對應(yīng)的圖形工具八叉球樹模型，其中，所述 圖形工具八叉球樹模型由所述預(yù)設(shè)層數(shù)的工具球組成，最外層的工具球?yàn)樽畲蟮囊粋€(gè)工具 球，依次向內(nèi)的每一層都包括多個(gè)工具球，每層的多個(gè)工具球均勻分布在上一層的至少一 個(gè)工具球內(nèi)； 采用所述物體八叉球樹模型和所述圖形工具八叉球樹模型進(jìn)行所述虛擬物體與所述 圖形工具之間的碰撞檢測，獲取碰撞球?qū)Φ募?，所述碰撞球?qū)樗鑫矬w八叉球樹模型 和所述圖形工具八叉球樹模型碰撞后相交部分中最內(nèi)層相交的工具球和物體球； 根據(jù)所述碰撞球?qū)Φ募嫌?jì)算所述圖形工具的優(yōu)化位姿； 計(jì)算所述圖形工具的優(yōu)化位姿與預(yù)設(shè)的物理工具位姿的差值，并根據(jù)所述差值計(jì)算反 饋力。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用所述物體八叉球樹模型和所述圖 形工具八叉球樹模型進(jìn)行所述虛擬物體與所述圖形工具之間的碰撞檢測，獲取碰撞球?qū)Φ?集合，包括： A、 判斷所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中物體球與所述圖形工具八叉球樹模型 的當(dāng)前檢測層中工具球是否相交，若相交，則將所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中與 所述圖形工具八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中相交的物體球和工具球球?qū)献鳛榕鲎睬?對的集合； B、 判斷所述碰撞球?qū)Φ募现械乃鑫矬w球與所述工具球是否相交，若相交，則將所 述物體球所包含的所有下一層物體球與所述工具球所包含的所有下一層工具球的球?qū)?合作為新的所述碰撞球?qū)Φ募希⑺鑫矬w八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層的下一層作為 所述物體八叉球樹模型的新的當(dāng)前檢測層，以及將所述圖形工具八叉球樹模型的當(dāng)前檢測 層的下一層作為所述圖形工具八叉球樹模型的新的當(dāng)前檢測層； C、 循環(huán)執(zhí)行B，直至所述圖形工具八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層為所述圖形工具八叉球 樹模型的最內(nèi)層以及所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層為所述物體八叉球樹模型的最 內(nèi)層，或者，直至所述碰撞球?qū)Φ募蠟榭铡?. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述判斷所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢 測層中物體球與所述圖形工具八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中工具球是否相交，包括： 根據(jù)公式disl=、/n2+tv- (η+Γ:)進(jìn)行計(jì)算，若計(jì)算結(jié)果小于零，則確定所述物體球與所述 工具球相交，否則不相交； 其中，rl為所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中物體球的半徑，r2為所述圖形工具 八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中工具球的半徑。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述碰撞球?qū)Φ募嫌?jì)算所述圖 形工具的優(yōu)化位姿，包括： 根據(jù)公式進(jìn)行迭 代計(jì)算，求解出滿足最小勢能原理并且符合約束條件的<，將所述 < 作為所述圖形工具的 優(yōu)化位姿;其中，所述約束條件是指所述圖形工具和所述虛擬物體的距離大于所述圖形工 具的半徑和所述虛擬物體的半徑之和，化為預(yù)設(shè)的物理工具的位姿，G為預(yù)設(shè)剛度矩陣，且 所述預(yù)設(shè)剛度矩陣為對角矩陣，所述對角矩陣的對角線上的元素對應(yīng)的是所述圖形工具三 維平動(dòng)和三維轉(zhuǎn)動(dòng)的剛度系數(shù)，^^^^用于表示所述圖形工具對應(yīng)的所述工具球的球心， xj，yj，zj用于表示所述虛擬物體對應(yīng)的所述物體球的球心，:ri表示所述圖形工具對應(yīng)的所 述工具球的半徑，rj表示所述虛擬物體對應(yīng)的所述物體球的半徑。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述計(jì)算所述圖形工具的優(yōu)化位姿與預(yù)設(shè) 的物理工具位姿的差值，并根據(jù)所述差值計(jì)算反饋力，包括： 根據(jù)公式(盡'.R) = 6'? -<)計(jì)算所述反饋力，其中，G表示所述預(yù)設(shè)剛度 矩陣，f丨為所述圖形工具的優(yōu)化位姿，為預(yù)設(shè)的物理工具的位姿，（Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Tx，Ty，Tz) 為所述反饋力。6. -種反饋力生成裝置，其特征在于，包括： 第一建立模塊，用于根據(jù)物體三角網(wǎng)格模型建立虛擬物體對應(yīng)的物體八叉球樹模型， 其中，所述物體八叉球樹模型由預(yù)設(shè)層數(shù)的物體球組成，最外層的物體球?yàn)樽畲蟮囊粋€(gè)物 體球，依次向內(nèi)的每一層都包括多個(gè)物體球，每層的多個(gè)物體球均勻分布在上一層的至少 一個(gè)物體球內(nèi)； 第二建立模塊，用于根據(jù)圖形工具三角網(wǎng)格模型建立圖形工具對應(yīng)的圖形工具八叉球 樹模型，其中，所述圖形工具八叉球樹模型由所述預(yù)設(shè)層數(shù)的工具球組成，最外層的工具球 為最大的一個(gè)工具球，依次向內(nèi)的每一層都包括多個(gè)工具球，每層的多個(gè)工具球均勻分布 在上一層的至少一個(gè)工具球內(nèi)； 檢測模塊，用于采用所述物體八叉球樹模型和所述圖形工具八叉球樹模型進(jìn)行所述虛 擬物體與所述圖形工具之間的碰撞檢測，獲取碰撞球?qū)Φ募?，所述碰撞球?qū)樗鑫矬w 八叉球樹模型和所述圖形工具八叉球樹模型碰撞后相交部分中最內(nèi)層相交的工具球和物 體球； 第一計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述碰撞球?qū)Φ募嫌?jì)算所述圖形工具的優(yōu)化位姿； 第二計(jì)算模塊，用于計(jì)算所述圖形工具的優(yōu)化位姿與預(yù)設(shè)的物理工具位姿的差值，并 根據(jù)所述差值計(jì)算反饋力。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述檢測模塊具體用于： Α、判斷所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中物體球與所述圖形工具八叉球樹模型 的當(dāng)前檢測層中工具球是否相交，若相交，則將所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中與 所述圖形工具八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中相交的物體球和工具球球?qū)献鳛榕鲎睬?對的集合； Β、判斷所述碰撞球?qū)Φ募现械乃鑫矬w球與所述工具球是否相交，若相交，則將所 述物體球所包含的所有下一層物體球與所述工具球所包含的所有下一層工具球的球?qū)?合作為新的所述碰撞球?qū)Φ募?，并將所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層的下一層作為 所述物體八叉球樹模型的新的當(dāng)前檢測層，以及將所述圖形工具八叉球樹模型的當(dāng)前檢測 層的下一層作為所述圖形工具八叉球樹模型的新的當(dāng)前檢測層； C、循環(huán)執(zhí)行B，直至所述圖形工具八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層為所述圖形工具八叉球 樹模型的最內(nèi)層以及所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層為所述物體八叉球樹模型的最 內(nèi)層，或者，直至所述碰撞球?qū)Φ募蠟榭铡?. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述檢測模塊具體還用于： 根據(jù)公另：進(jìn)行計(jì)算，若計(jì)算結(jié)果小于零，則確定所述物體球與所述 工具球相交，否則不相交； 其中，rl為所述物體八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中物體球的半徑，r2為所述圖形工具 八叉球樹模型的當(dāng)前檢測層中工具球的半徑。9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述第一計(jì)算模塊具體用于： 根據(jù)公無注行迭 代計(jì)算，求解出滿足最小勢能原理并且符合約束條件的<，將所述<作為所述圖形工具的 優(yōu)化位姿;其中，所述約束條件是指所述圖形工具和所述虛擬物體的距離大于所述圖形工 具的半徑和所述虛擬物體的半徑之和，為預(yù)設(shè)的物理工具的位姿，G為預(yù)設(shè)剛度矩陣，且 所述預(yù)設(shè)剛度矩陣為對角矩陣，所述對角矩陣的對角線上的元素對應(yīng)的是所述圖形工具三 維平動(dòng)和三維轉(zhuǎn)動(dòng)的剛度系數(shù)，^^^^用于表示所述圖形工具對應(yīng)的所述工具球的球心， xj，yj，zj用于表示所述虛擬物體對應(yīng)的所述物體球的球心，:ri表示所述圖形工具對應(yīng)的所 述工具球的半徑，rj表示所述虛擬物體對應(yīng)的所述物體球的半徑。10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述第二計(jì)算模塊具體用于： 根據(jù)公式(斤斤/?//>//>·, T:) = G' (<-<)計(jì)算所述反饋力，其中，G表示所述預(yù)設(shè)剛度 矩陣，4為所述圖形工具的優(yōu)化位姿，'為預(yù)設(shè)的物理工具的位姿，（Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Tx，Ty，Tz) 為所述反饋力。
【文檔編號】G06F3/01GK105955458SQ201610250803
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月21日
【發(fā)明人】郝愛民, 王黨校, 孔逸飛, 史有皎, 趙曉含
【申請人】北京天人同達(dá)軟件科技有限公司