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基于触觉反馈的虚拟变形与切割研究

作　者: 陈飞
导　师: 周岩
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 触觉反馈 质点弹簧模型 碰撞检测 虚拟变形 虚拟切割
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 77次
引　用: 1次
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内容摘要


虚拟现实技术越来越多的得到应用,但大多研究集中在视觉和听觉领域,而触觉和视觉、听觉一样,是人类对事物获得认知的重要途径,能提高虚拟系统的沉浸性。本文利用实验室的Phantom Omni触觉反馈设备进行关于触觉反馈(力反馈)的研究,探讨在虚拟场景中基于触觉反馈的物体变形和切割操作的实现。首先,结合Phantom Omni触觉设备,在构建触觉造型系统的基础上,基于代理点方法,对虚拟场景中触觉效果产生的原理进行研究;同时以弹簧—阻尼器力反馈模型为基础,研究触觉设备和虚拟场景中物体相接触时触觉反馈力的计算。其次,在介绍碰撞检测基本原理的基础上,构造了触觉反馈设备在虚拟场景中OBB树层次包围盒;并基于包围盒裁减算法实现场景中物体的碰撞检测,同时应用实例对该碰撞检测算法进行验证。再次,基于质点弹簧系统构建虚拟物体模型,通过设置虚拟模型中质点的质量、弹簧刚度、阻尼系数以模拟现实物体的物理属性;通过分析模型中质点的受力,采用数值积分法求解模型中质点状态并实时更新,实现对虚拟物体的变形;同时分析模型刚度、阻尼系数和网格数量对虚拟模型变形效果的影响。最后,基于三角面片模型,研究切割过程中切割条件的判断、切割路径的获取等问题;以网格逐步细分算法和体元剖分法为基础,研究虚拟切割操作中被切割到的网格的分裂过程和切缝的形成,实现对虚拟物体切割效果的模拟。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-15
  1.1 本课题研究的背景及意义  8-9
    1.1.1 课题背景  8
    1.1.2 课题研究的意义  8-9
  1.2 国内外在该方向的研究现状及分析  9-14
    1.2.1 触觉技术的发展历程及其应用研究  9-10
    1.2.2 碰撞检测算法  10-11
    1.2.3 虚拟变形的研究现状  11-13
    1.2.4 虚拟切割的研究现状  13-14
  1.3 主要研究内容  14-15
第2章 触觉造型系统的构建  15-24
  2.1 触觉造型系统的组成  15-20
    2.1.1 系统硬件组成  15-16
    2.1.2 系统的应用程序设计  16-20
  2.2 触觉环境的建立  20-23
    2.2.1 触觉效果的产生原理  20-21
    2.2.2 力反馈模型  21-23
  2.3 本章小结  23-24
第3章 基于层次包围盒的碰撞检测研究  24-31
  3.1 基于层次包围盒树的碰撞检测原理  24-25
  3.2 层次包围体树碰撞检测算法的框架  25-26
    3.2.1 初步检测阶段  25-26
    3.2.2 详细检测阶段  26
  3.3 基于OBB层次包围盒树的碰撞检测  26-30
    3.3.1 OBB树的构造  27
    3.3.2 设备代理点包围盒构造和裁减算法  27-29
    3.3.3 实例测试  29-30
  3.4 本章小结  30-31
第4章 基于质点弹簧模型的变形操作  31-47
  4.1 虚拟变形原理  31-41
    4.1.1 基于质点弹簧系统的模型构建  32-35
    4.1.2 质点受力状况分析  35-37
    4.1.3 质点状态求解  37-41
  4.2 虚拟物体变形效果的实现  41-43
    4.2.1 基于OpenGL构建的虚拟模型变形  41
    4.2.2 基于STL格式的虚拟模型变形  41-43
  4.3 变形的影响因素分析  43-46
    4.3.1 刚度和阻尼系数对变形的影响  43-45
    4.3.2 网格数量对变形的影响  45-46
  4.4 本章小结  46-47
第5章 基于三角面片模型的切割操作  47-56
  5.1 虚拟切割的流程分析  47-51
    5.1.1 切割工具仿真  48
    5.1.2 切割条件  48-49
    5.1.3 切割路径  49-50
    5.1.4 网格逐步细分  50-51
    5.1.5 网格重建  51
  5.2 虚拟切割的编程实现  51-55
    5.2.1 去除体元法  51-53
    5.2.2 体元剖分法  53-55
  5.3 本章小结  55-56
结论  56-57
参考文献  57-60
攻读学位期间发表的学术论文  60-62
致谢  62

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 计算机仿真
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