虚拟织物的手感生成和变形模拟

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随着虚拟现实中人机交互的发展,单纯视觉上的织物变形已经不能满足人们的需求,本文创新性地提出了基于变形织物的力触觉反馈模型,能够使人们在观察到织物形变的同时借助触觉交互设备感受织物的弹性和摩擦力等手感,增强人机交互的沉浸感。本文首先介绍了织物变形和力触觉反馈的研究意义和目的,分析了织物变形和力触觉反馈的国内外研究现状,确定本文的研究目标和研究内容。根据织物的物理特性,本文把弹簧-质点模型的内力模型分为拉伸模型、弯曲模型和剪切模型进行讨论,分别用来反映织物的拉伸性、弯曲性和剪切性等物理特性。建立质点的动力学方程并采用显式四阶龙格-库塔方法求解微分方程,该方法有效的兼顾了计算量和精确度,能够满足织物形变的实时性需求。提出了基于变形织物的二维纹理映射算法,为变形织物添加纹理,增加织物仿真的真实感。然后提出织物的AABB轴向包围盒树碰撞检测方法通过遍历包围盒树判断代理点和织物是否发生接触,该算法能够有效提高碰撞检测效率、减少碰撞检测时间。提出基于吸附力的点接触模型计算接触力的大小,把接触点位于织物三角面片的边上和内部两种情况近似转移到距离接触点最近的三角面片的顶点上,简化接触力的计算模型、减少延迟,把反馈力及时快速地反馈给操作者。其次应用上述织物形变模型和力触觉模型开发了一个虚拟织物实时形变及触觉反馈原型系统并进行仿真实验,模拟手指触碰织物的行为观察织物形变和感受织物的弹性和摩擦力。实验结果表明本文提出的织物形变模型和力触觉接触模型能够实现织物的实时形变和力反馈,且形变过程逼真、力输出稳定无停顿感,满足操作者的视觉和触觉需求。最后,论文的总结和展望。
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