免费论文：面向细节特征的力觉渲染方法研究

        细节特征是物体重要的客观属性，实现细节特征的力觉交互是提升虚拟现实系统沉浸感和交互性的重要内容。本文以物体的几何细节和物理细节为研究对象，研究了力觉交互仿真中关键的力觉渲染方法。

        全文首先介绍了触觉心理学中对细节感知的研究成果，然后结合力觉渲染流程分析了力觉渲染技术的研究现状和发展趋势。力觉渲染主要包括物体几何表达、碰撞检测和反馈力计算三个组成部分，每一部分方法的特点和适用范围都影响着渲染的整体性能。力觉渲染的整体性能有三个评价指标：逼真性、实时性和稳定性。本文基于这三个评价指标，分别针对具有几何细节和物理细节的物体间交互进行了力觉渲染方法的研究。

        针对几何细节力渲染的逼真性问题，本文以尖锐几何细节为例，提出了一种高效的混合球树模型，以表达几何细节，并将其应用于基于位姿优化的六自由度渲染中，实现了对物体尖锐几何细节的逼真模拟以及精细稳定的六自由度力觉交互。为了定量地比较和评价各渲染方法模拟多区域交互下尖锐细节感知的逼真程度，本文提出了一种基于准曲率半径的通用方法，并通过主观感知对比、反馈力/力矩的客观分析、尖锐细节应用实例以及特征识别实验验证了该方法的逼真性。

        针对几何细节力渲染的实时性问题，本文提出了一种基于并行二次规划方法的位姿优化加速策略，实现了实时交互。算法首先根据发生接触的球对构建约束，转换为以位姿变量的增量作约束对象的约束方程，为提高计算效率，通过一阶泰勒公式将其线性化处理。其次将该二次优化问题转化为其对偶问题，使用并行二次规划求解图形工具的最优解，最后计算力和力矩反馈。实验结果显示本文方法使力觉渲染计算效率提升了2~3倍，尤其适合深度接触的情况。

        针对多物理属性物体交互的稳定性问题，本文以牙科手术中的龋坏形状探诊为例，实现了可模拟多物理属性物体边界的稳定力觉交互。本文对模拟龋坏探诊中的硬度、粘滞以及摩擦等反馈力分别给出了计算模型，在刚度不同的两物体的交接面进行力反馈渲染常常发生振动，为了解决这一难题，本文提出了一种上锁机制来保证交互过程的稳定，最后通过两种不同形状的龋坏探诊模拟实验验证了该方法的有效性。

        本文以“细节”为特点进行精细操作任务模拟，涵盖了手术模拟、虚拟维修等广泛的应用领域，是不同应用领域的共性基础问题，将促进触力觉交互技术的深入研究。

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