CN102122204B - 分布式力觉同步感知方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分布式力觉同步感知方法及系统，主要由一台服务器、三套计算和显示终端和三台Falcon三维力反馈设备组网连接而成。分布式力觉同步感知方法包括：构建立体迷宫场景；数据采集模块对输入力反馈装置的触发信号进行去噪、A/D转换等一系列的处理后，转向远程通信模块；远程通信模块将多路输入信号汇总，合成计算小球的速度、位置等参数；场景同步模块将多个客户端的场景进行同步处理；实时检测碰撞；若小球与管道发生碰撞，则进行碰撞响应；根据力反馈实时解算向客户端同步输出大小和方向一致的反馈力。参与者在体验过程中不仅可以感受到球的重量、碰撞时冲击力等力反馈感觉，而且可以感知到由位于异端操作者操作所带来的力触觉。

Description

分布式力觉同步感知方法及系统

技术领域

本发明涉及一种分布式力觉同步感知方法及系统，属于虚拟现实技术领域。

背景技术

触觉是我们感知周围事物的重要途径。触感震动技术是指用户通过一些特殊的计算机输入/输出设备，与计算机程序进行交互以获得真实的触觉感受。比如，在一个虚拟现实环境里，用户可以用数据手套拿起一个虚拟的网球，用户能感觉到网球的重力和材质。只是，目前大多数的触感震动设备都是和个人电脑或者其他虚拟现实系统直接相连的，也就是一对一的人机互动。

发明内容

基于上述，本发明提出一种分布式力觉同步感知方法及系统，参与者在体验过程中不仅可以感受到球的重量、碰撞时冲击力等力反馈感觉，而且可以感知到由位于异端操作者操作所带来的力触觉。

为了实现此目的，本发明所采取的技术方案是：

一种分布式力反馈感知系统，包括：一台服务器；若干客户端，每个客户端配备计算和显示终端；若干台三维力反馈设备，其数量与客户端数量相同；上述服务器、客户端和三维力反馈设备通过网络连接。

所述服务器中装有以下模块：立体迷宫场景构建模块，用于构建以管道形成的立体迷宫场景；通讯模块，客户端数据采集模块对输入的力反馈设备产生的触发信号进行去噪和A/D转换后送至通讯模块，通讯模块对多路输入的力反馈信号进行汇总后送至小球运动速度、位置合成计算模块；小球运动速度、位置合成计算模块，用于计算小球在管道中的运动速度和位置；场景同步模块，用于对多个客户端的场景进行同步处理；碰撞检测模块，用于实时检测小球与迷宫中的管道是否碰撞；力反馈大小解算模块，用于解算小球与迷宫中的管道碰撞后产生的反馈力；反馈控制模块，用于将解算的反馈力传至各客户端。

一种基于上述的系统中实现的分布式力反馈感知方法，包括以下步骤：

1)构建立体迷宫场景；

2)客户端数据采集模块对输入力反馈装置的触发信号进行去噪、A/D转换后，转向远程通信模块；

3)远程通信模块将由客户端通讯模块收集的多路输入信号汇总，合成计算小球的速度及位置参数；

4)场景同步模块将多个客户端的场景进行同步处理；

5)碰撞检测模块实时检测小球是否与迷宫中的管道发生碰撞，若未发生碰撞则转步骤7)；若发生碰撞则进行碰撞响应，继续步骤6)；

6)根据力反馈实时解算小球与迷宫中的管道碰撞后产生的反馈力，向客户端同步输出大小和方向一致的反馈力；

7)判断是否到迷宫通关时限，若时间到，则停止场景漫游，否则转步骤2)，循环进行。

进一步，本发明步骤1)构建立体迷宫场景，迷宫场景的设计，借助长方体来构建，将长方体以等间隔切分成多个小正方体，以每个小正方体的边、面对角线、体对角线为管道方向构建迷宫场景，这样可以保证场景中管道方向的多样性，迷宫管道有一个入口，三个出口，每条路径上都有单人操作以及双人、三人协同操作的管道。由于球体和管道几何形状的特殊性，本发明通过球心和半径来描述球体，通过中轴线和半径来描述管道，确定接触位置，在很大程度上使仿真更加精确、合理和快速。立体迷宫管道三维模型采用3dmax软件分段制作。

进一步，本发明步骤3)合成计算小球的速度、位置等参数，在一个仿真步长内球体的运动按以下步骤进行：1)计算球体所受的合力和合力矩；2)积分球体状态(线速度、角速度、线加速度、角加速度)及空间位置；3)检测球体与管道是否发生碰撞，如果发生则转到下一步，否则该步仿真完毕；4)通过碰撞测定计算球体发生碰撞时的接触域；5)由球体的接触域及球体的状态计算发生碰撞时球体所受冲量的作用点；6)利用动量及动量矩定理计算球体碰撞后的状态(线速度、角速度)，即碰撞响应。如果球体运动时同时受到n(n＝1，2或3)个力的作用，利用叠加原理计算的球体受到的合力F_i与合力矩M_i，作为下次计算F_i+1及M_i+1时作用于球体质心的主动力及力矩，这里i＝1，2，...，n-1。

进一步，本发明步骤4)场景同步模块将多个客户端的场景进行同步处理，其特征是：场景和力触觉信息的同步处理采用基于主从模式分布式虚拟仿真软件体系结构，每个集群节点都运行迷宫场景漫游程序，绘制计算分布到各客户端执行，每绘制一帧，服务器节点只需传输必要的控制命令，不需要通过网络传输所有的管道和小球模型数据。主节点负责处理所有客户端用户通过力反馈操作杆输入的不定时发生的交互信息和其它状态改变信息，并且通过网络同步所有其它节点的状态变化，确保几个参与互动的用户看到同样的场景、感受到同样的力反馈，交互信息和力觉反馈信息通过实时网络通讯模块进行传递。

进一步，本发明步骤4)交互信息和力觉反馈信息通过实时网络通讯模块进行传递，其特征是：该模块具有完善的外部分系统对接功能，能够提供以下三种接口模式：1)符合DIS PDU规范的网络接口；2)程序自定义数据结构的网络接口；3)希望的特定通讯方式(注：此种方式可根据程序的具体情况编写相应的通讯模块)。

进一步，本发明步骤5)由服务器端进行实时检测碰撞，若小球与管道发生碰撞，则进行碰撞响应，向客户端同步输出大小和方向一致的反馈力。碰撞检测其具体特征是：由于球体和管道几何形状的特殊性，我们通过球心和半径来描述球体，通过中轴线和半径来描述管道，快速确定接触位置。

设球体的球心为C，半径为r；管道的中轴线为L，半径为R；表面接触容许距离为ε。则当|C-L|＞(R-r)时，球体与管道发生相交；当(R-r)＜|C-L|≤(R-r+ε)时，认为球体与管道发生接触；当|C-L|＜(R-r)时，球体包含于管道中。这里|C-L|表示球体球心与管道中轴线的距离。将管道中轴线L作为球体坐标系的Y轴，球体位置坐标为(x，y，z)，则|C-L|²＝x²+z²。球体与管道碰撞是点接触，设接触点为P。接触点的计算公式为：

$P=C+r\·\stackrel{\→}{v_x+v_z}.$

进一步，本发明步骤5)由服务器端进行实时检测碰撞，若小球与管道发生碰撞，则进行碰撞响应，向客户端同步输出大小和方向一致的反馈力。碰撞响应其具体特征是：当球体与管道发生碰撞时，根据碰撞的恢复系数理论，碰撞后P点沿y轴方向的速度为：假设球体碰撞过程中没有出现滑动，碰撞后P点沿x、z轴方向的速度为：

由动量及动量矩定理有：

和

由速度合成定理有：

和

联立以上方程可求得

和进而计算出球体碰撞后的运动状态。

球体运动状态及位移计算

在每个仿真步长Δt中，球体的运动为匀变速运动。设球体对质心的惯性张量为J_C，质量为m，作用在球体的合力为

合力矩为线速度为角速度为

球体经Δt时间后线速度为

角速度为

位移为

绕质心旋转

有：

$\stackrel{\→}{v_1}=\stackrel{\→}{v_0}+\frac{\stackrel{\→}{F_c}}{m}\·\mathrm{\Δt};$ $\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{S}=\stackrel{\→}{v_0}\·\mathrm{\Δt}+\frac{1}{2}\·\frac{\stackrel{\→}{F_c}}{m}\·\mathrm{\Δt}\·\mathrm{\Δt};$ $\stackrel{\→}{{\mathrm{\ω}}_1}=\stackrel{\→}{{\mathrm{\ω}}_0}+\frac{\stackrel{\→}{M_c}}{J_c}\·\mathrm{\Δt};$ $\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{\mathrm{\θ}}=\stackrel{\→}{{\mathrm{\ω}}_0}\·\mathrm{\Δt}+\frac{1}{2}\·\frac{\stackrel{\→}{M_c}}{J_c}\·\mathrm{\Δt}\·\mathrm{\Δt}.$

进一步，本发明步骤6)根据力反馈实时解算向客户端同步输出大小和方向一致的反馈力，力觉信息的实时解算其特征是：主要是对小球在参与者的各种输入命令的控制下，对各种状态及碰撞响应进行实时解算并对力反馈装置进行相应的反馈控制，实时获取操作者的输入控制命令和虚拟环境数据，迅速计算出小球位置、速度、加速度以及姿态等运动信息，然后通过视觉、力觉等提示系统反馈给操作者，实现高沉浸感。

理想弹性固体碰撞的数值计算用弹性材料模型；计算弹塑性碰撞用分段线性/幂指数强化材料模型，应力σ和应变ε的关系如下式：

$\mathrm{\&sigma;}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{E\&epsiv;},& \mathrm{\&sigma;}<{\mathrm{\&sigma;}}_s\\ {\mathrm{K\&epsiv;}}^n,& \mathrm{\&sigma;}>{\mathrm{\&sigma;}}_s\end{array}\right.$

式中：σs是屈服极限；K是强度系数；E是弹性模量；n是应变强化指数。

应用赫兹(Hertz)理论分析小球与墙壁的碰撞：

一个半径、弹性模量、泊松比、质量分别是R、E、v、m，的小球以相对速度v碰撞墙壁，接触半径a：

$a={\left(\frac{15R^{*2}{m}^{*}{v}^2}{16E^{*}}\right)}^{1/5}$

等效质量m*满足1/m*＝1/m₁+1/m₂。

球心与管道的相互接近距离δ，也就是小球碰撞墙壁后，墙壁的变形量：

δ＝α²/R^*

其中：等效半径R*满足：1/R*＝1/R₁-1/R₂；R₁为小球的半径，R₂为管道横截面的半径。

接触力

θ为碰撞时小球的速度方向与墙壁的法线间的夹角。

等效弹性模量E*满足1/E*＝(1-v₁ ²)/E₁+(1-v₂ ²)/E₂。

接触中心点最大压应力σ₀＝3P/2πa，

应力分布

r为小球距接触点的距离。

本发明的优点在于：本发明借助于分布式计算机网络技术、虚拟环境构建技术和力触觉感知技术实现力触觉信息的远程传递和操作端的同步感知。它把触感震动技术和网络通讯技术相结合，未来该技术将可以应用于机械人(手)操控、外科手术、纳米操作等领域的研究与发展中。

附图说明

图1为本发明的软件总体流程图；

图2为迷宫管道示意图；

图3为小球运动速度/位置计算流程图；

图4为分布式虚拟仿真软件体系结构；

图5为小球碰撞响应仿真路径；

图6为多人语音通信软件系统架构图；

图7为终端功能框图。

具体实施方式

本发明涉及一种分布式力觉同步感知方法及系统。系统主要由一台服务器、三套显示终端和三台Falcon三维力反馈设备通过网络连接组成，利用分布式虚拟仿真、有触感交互、语音通信等技术实现多人协同游戏的控制。设有3套异形操作台，三位操作者操作力反馈设备在规定的时间限制内协同走通立体迷宫。参与者通过力反馈设备分别控制球的水平、前后或垂直运动方向，并控制球的运动速度大小，实时调整球的运动路线。系统实时获取操纵杆数据，并计算出相关的控制参数分布式输出给力反馈设备，控制该装置产生相应的动作，参与者在体验过程中不仅可以感受到球的重量、碰撞时冲击力等力反馈感觉，而且可以感知到由位于异端操作者操作所带来的力触觉。

服务器中装有以下模块：立体迷宫场景构建模块，用于构建以管道形成的立体迷宫场景；通讯模块，客户端数据采集模块对输入的力反馈设备产生的触发信号进行去噪和A/D转换后送至通讯模块，通讯模块对多路输入的力反馈信号进行汇总后送至小球运动速度、位置合成计算模块；小球运动速度、位置合成计算模块，用于计算小球在管道中的运动速度和位置；场景同步模块，用于对多个客户端的场景进行同步处理；碰撞检测模块，用于实时检测小球与迷宫中的管道是否碰撞；力反馈大小解算模块，用于解算小球与迷宫中的管道碰撞后产生的反馈力；反馈控制模块，用于将解算的反馈力传至各客户端。

本发明的软件总体流程和数据传送过程如图1所示。程序开始运行后，首先，构建立体迷宫场景；然后，客户端数据采集模块对输入装置的触发信号进行去噪、A/D转换等一系列的处理后，程序转向远程通信模块；远程通信模块将由客户端通讯模块收集的多路输入信号汇总；然后，合成计算小球的速度、位置等参数；场景同步模块将多个客户端的场景进行同步处理；实时检测碰撞，若小球与管道发生碰撞，则进行碰撞响应，进而输出反馈力大小和方向；判断是否到迷宫通关时限，若时间到，则停止场景漫游，程序转向判断运行模式模块，循环进行。

本发明的分布式力反馈感知方法可归纳为以下步骤：

1)构建立体迷宫场景；

2)客户端数据采集模块对输入力反馈装置的触发信号进行去噪、A/D转换后，转向远程通信模块；

3)远程通信模块将由客户端通讯模块收集的多路输入信号汇总，合成计算小球的速度及位置参数；

4)场景同步模块将多个客户端的场景进行同步处理；

5)碰撞检测模块实时检测小球是否与迷宫中的管道发生碰撞，若未发生碰撞则转步骤7)；若发生碰撞则进行碰撞响应，继续步骤6)；

6)根据力反馈实时解算小球与迷宫中的管道碰撞后产生的反馈力，向客户端同步输出大小和方向一致的反馈力；

7)判断是否到迷宫通关时限，若时间到，则停止场景漫游，否则转步骤2)，循环进行。

下面详细介绍具体实例。

1组成和结构

本发明系统主要由三套力反馈体验装置、三套游戏界面显示装置、三套语音沟通装置通过网络连接组成，其中：

三套力反馈体验装置供参与者控制小球的运动，进而完成迷宫游戏；同时体验小球在运动过程中的受力情况，包括重力、冲击力等。

三套游戏界面显示装置用于显示“立体迷宫”游戏界面，系统要求迷宫管道逼真立体感强。游戏界面主要由两部分组成，主画面显示小球当前位置处的管路情况，参与者可据此决策小球在此处的运动情况；主画面的左上方开出一“路径地图导航窗口”，显示迷宫整体情况和小球的当前位置，参与者可据此规划小球的运动路径。

三套语音沟通装置用于供参与者间协同完成游戏。

2软件控制系统设计

2.1软件总体设计

“立体迷宫”软件系统由两大部分组成：立体迷宫游戏软件和多人语音通信软件，其中：

立体迷宫游戏设计使操作者在实际体验过程中，用操作杆来控制球运动的方向，不仅能感受到球碰壁的反馈力，而且可以通过控制垂直方向感受球的重量、及时调整球的运动方向；同时为了避免发生小球“穿透”管道的情况，就要求运动小球与管道场景壁进行实时碰撞检测，作为力反馈的时间点和力反馈大小解算模型的数据源。

立体迷宫游戏软件主要由以下模块组成：立体迷宫场景构建模块、交互数据实时采集模块、分布式仿真模块、远程通信模块、小球运动速度/位置计算模块、场景同步模块、碰撞检测模块、力反馈大小实时解算模块、反馈控制模块。

多人语音通信软件保证参与者可以通过语音与其他参与者沟通协作。该软件主要由以下部分组成：终端、关守、多点控制器。

2.2立体迷宫游戏软件的设计

2.2.1立体迷宫场景构建模块

立体迷宫场景的设计，借助长方体来构建，将长方体以等间隔切分成多个小正方体，以每个小正方体的边、面对角线、体对角线为管道方向构建迷宫场景，这样可以保证场景中管道方向的多样性，迷宫管道有一个入口，三个出口，每条路径上都有单人操作以及双人、三人协同操作的管道，具体如图2所示。由于球体和管道几何形状的特殊性，本发明通过球心和半径来描述球体，通过中轴线和半径来描述管道，确定接触位置，在很大程度上使仿真更加精确、合理和快速。立体迷宫管道三维模型采用3dmax软件分段制作。

立体迷宫虚拟环境中的几何模型是管道几何信息的表示，涉及表示几何信息的数据结构、相关的构造与操纵该数据结构的算法。迷宫场景中的每段管道模型数据包含形状和外观两个方面内容，管道的形状由构造管道的曲面和中轴线来确定，管道的外观则由表面纹理、颜色、光照系数等来确定。用于存储迷宫场景中几何管道的模型文件能够提供以上信息。

同时本迷宫场景模型满足虚拟建模技术的三个常用指标-交互显示能力、交互式操纵能力、易于构造的能力对虚拟对象模型的要求。OpenGL中很容易实现管道和小球模型的各种变换、着色、光照、纹理、交互操作和动画等功能，但是它只能提供基本几何元素的造型函数，使得复杂管道的建模相对困难。3DMAX三维图形建模工具能方便建立各种复杂管道模型，但是很难进行程序控制。因此，我们在3DMAX工具中建立好管道模型后，在Open GL中实现对其的控制和变换。

2.2.2小球运动速度/位置计算模块

小球运动速度/位置计算流程如图3所示。在一个仿真步长内球体的运动按以下步骤进行：

1)计算球体所受的合力和合力矩；

2)积分球体状态(线速度、角速度、线加速度、角加速度)及空间位置；

3)检测球体与管道是否发生碰撞，如果发生则转到下一步，否则该步仿真完毕；

4)通过碰撞测定计算球体发生碰撞时的接触域；

5)由球体的接触域及球体的状态计算发生碰撞时球体所受冲量的作用点；

6)利用动量及动量矩定理计算球体碰撞后的状态(线速度、角速度)，即碰撞响应。

如果球体运动时同时受到n(n＝1，2或3)个力的作用，利用叠加原理计算的球体受到的合力F_i与合力矩M_i，作为下次计算F_i+1及M_i+1时作用于球体质心的主动力及力矩，这里i＝1，2，...，n-1。

2.2.3碰撞检测模块

由于球体和管道几何形状的特殊性，我们通过球心和半径来描述球体，通过中轴线和半径来描述管道，从而能够快速确定接触位置，在很大程度上使仿真更加精确、合理和快速。

设球体的球心为C，半径为r；管道的中轴线为L，半径为R；表面接触容许距离为ε。则当|C-L|＞(R-r)时，球体与管道发生相交；当(R-r)＜|C-L|≤(R-r+ε)时，认为球体与管道发生接触；当|C-L|＜(R-r)时，球体包含于管道中。这里|C-L|表示球体球心与管道中轴线的距离。将管道中轴线L作为球体坐标系的Y轴，球体位置坐标为(x，y，z)，则|C-L|²＝x²+z²。球体与管道碰撞是点接触，设接触点为P。接触点的计算公式为：

球体的碰撞响应计算：

当球体与管道发生碰撞时，根据碰撞的恢复系数理论，碰撞后P点沿y轴方向的速度为：

$\stackrel{\&RightArrow;}{y_{\mathrm{Py}1}}=K{v}_{\mathrm{Py}0}^{\&RightArrow;}.$

假设球体碰撞过程中没有出现滑动，碰撞后P点沿x、z轴方向的速度为：

由动量及动量矩定理有：

和

由速度合成定理有：

和

联立以上方程可求得

和

进而计算出球体碰撞后的运动状态。

球体运动状态及位移计算

在每个仿真步长Δt中，球体的运动为匀变速运动。设球体对质心的惯性张量为J_C，质量为m，作用在球体的合力为

合力矩为

线速度为

角速度为球体经Δt时间后线速度为

角速度为

位移为绕质心旋转

有：

$\stackrel{\&RightArrow;}{v_1}=\stackrel{\&RightArrow;}{v_0}+\frac{\stackrel{\&RightArrow;}{F_c}}{m}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t};$ $\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&RightArrow;}{S}=\stackrel{\&RightArrow;}{v_0}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}+\frac{1}{2}\&CenterDot;\frac{\stackrel{\&RightArrow;}{F_c}}{m}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t};$ $\stackrel{\&RightArrow;}{{\mathrm{\&omega;}}_1}=\stackrel{\&RightArrow;}{{\mathrm{\&omega;}}_0}+\frac{\stackrel{\&RightArrow;}{M_c}}{J_c}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t};$ $\mathrm{\&Delta;}\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&theta;}}=\stackrel{\&RightArrow;}{{\mathrm{\&omega;}}_0}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}+\frac{1}{2}\&CenterDot;\frac{\stackrel{\&RightArrow;}{M_c}}{J_c}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;t}.$

2.2.4力反馈输入信息、反馈控制数据及场景同步模块

本发明的软件体系结构采用主从模式分布式虚拟仿真软件体系结构，其架构如图4所示。每个集群节点都运行迷宫场景漫游程序，绘制计算分布到各客户端执行，由于其管道和小球模型数据分布存储在各绘制客户器端，每绘制一帧，服务器节点只需传输必要的控制命令，不需要通过网络传输所有的管道和小球模型数据。因此，该系统的显著优点是其网络数据通讯量小。操作者通过力反馈操作杆输入的交互信息和其它状态改变信息是不定时发生的，在所有节点运行的应用程序必须保持同步，以确保几个参与游戏的观众看到同样的场景、感受到同样的力反馈。主节点负责处理所有用户的交互信息并且通过网络同步所有其它节点的状态变化。

该系统的底层支持软件的设计原则是采用普通硬件环境，充分发挥软件技术的优势，提供给观众高性能的实时三维虚拟游戏系统；同时保证通道数目(本地与异地联合)与迷宫游戏软件开发的无关性，即无论采用何种形式的通道(本地与异地联合)配置，开发迷宫游戏软件时只按照单通道的形式编写软件，无须考虑通道间的衔接、同步等问题；这些工作由底层软件根据用户的参数配置文件自动完成；从而使迷宫场景漫游模块的开发与分步式同步场景仿真模块的开发相对独立，大大提高了仿真系统的效率和效果。

2.2.5远程通信模块

操作者的交互信息和力觉反馈信息通过实时网络通讯模块进行传递，该模块具有完善的外部分系统对接功能，能够提供以下三种接口模式：

符合DIS PDU规范的网络接口；

程序自定义数据结构的网络接口；

希望的特定通讯方式(注：此种方式可根据游戏程序的具体情况编写相应的通讯模块)；

该实时网络通讯模块拟采用北邮虚拟技术研究中心自主研发的实时网络软件包完成。

网络通讯模块主要负责多个绘制客户端之间的通讯与同步控制，网络功能的开启需要调用InitNetSync函数，它将根据配置文件NETCFG.txt文件中所设置的机器名对网络通讯进行初始化设置。

void InitNetSync(bool bBlock)；

功能：初始化网络模块

参数：bBlock阻塞标志，‘0’为非阻塞方式，‘1’为阻塞方式

返回值：无

在不需要网络功能的时候，或迷宫游戏程序结束运行时，需要关闭网络通讯模块，这时需要调用TermNetSync函数。

void TermNetSync()；

功能：关闭并释放网络模块

参数：无

返回值：无

在完成网络的初始化之后，通道间的数据(小球运动方向、速度参数和力反馈参数等)传输可以通过SendNetData和GetNetData函数完成的。当初始化状态为阻塞方式时，两个函数必须在完成操作之后才会返回，而在非阻塞状态的初始化时，两个函数为立即返回方式。

网络传输的数据一次可以传输的数据最大为1024字节。

int SendNetData(void  *recv_buf，int size_buf)；

功能：发送数据

参数：recv_buf  数据缓冲区指针

size_buf数据缓冲区大小

返回值：发送成功后返回1，否则返回0

int GetNetData(void  *recv_buf，int size_buf)；

功能：接收数据

参数：recv_buf  数据缓冲区指针

size_buf数据缓冲区大小

返回值：接收到数据后返回1，否则返回0

交互装置的选型

触觉是我们感知周围事物的重要组成部分(包括物理上和精神上)。过去，游戏已经拥有了越来越先进的图像和声音的设计，但是直到现在仍然没有解决触觉的问题。现在，屡获殊荣的Novint Falcon赋予虚拟物品和环境真实的感觉，依靠Novint Falcon的互动性和感觉进行操控，而不是鼠标的点击和移动，可以感觉到迷宫中小球的重量和运动，同时可以感觉到虚拟管道中小球撞壁时的碰撞冲击力。

Novint Falcon是一种全新的游戏控制器，Falcon的功能类似于机器人，替代了传统的鼠标和操纵杆，可以让观众体会不同于以往的触觉体验。使用Novint Falcon可以同时体会到不同以往的三维空间的力反馈。Novint Falcon不但可以像传统控制器一样的进行前后左右的操作，而且还可以进行上升和下降。当你拥有Novint Falcon的光标移动到虚拟的对象、环境或材质时，内部的电机设备将自动开启并进行每秒1000次的检测，让观众感觉到不同质地、形状、重量、尺寸和运动方向。

把触感震动技术和网络结合在一起与计算机程序进行交互以获得真实的触觉感受，参与者不只可以提供输入信息，同时也可以触感的形式接收计算机发出的信息。

2.2.6数据采集模块、反馈控制模块

利用Falcon三维力反馈设备提供的的运动捕获和力反馈开发接口实现对输入数据的采集以及对输出力反馈大小的控制。此模块采用多线程的技术。输入数据读取线程用于捕获操作者在限定空间内的输入动作，传输给场景同步模块，控制小球在迷宫中的运动。当检测到碰撞时，力反馈输出数据控制线程用于将实时计算得到的反馈力通过相应接口传递给操作杆，输出力反馈，使用户体验到不同的力觉感受。

2.2.7输入控制参数合成及力反馈实时解算模块

在“立体迷宫”虚拟环境下模拟真实的触觉感受，主要是对小球在参与者的各种输入命令的控制下，对各种状态及碰撞响应进行实时解算并对力反馈装置进行相应的反馈控制，其性能的高低取决于模拟的逼真程度。力反馈合成及实时解算模块主要由运动生成及力觉反馈系统、运动学/动力学仿真系统、视景仿真系统组成，其中运动学/动力学实时仿真系统处于核心地位，是模拟真实触觉感觉的基本前提。该系统实时获取操作者的输入控制命令和虚拟环境数据，迅速计算出小球位置、速度、加速度以及姿态等运动信息，然后通过视觉、力觉等提示系统反馈给操作者，实现高沉浸感。小球碰撞响应仿真路径如图5所示。

理想弹性固体碰撞的数值计算用弹性材料模型；计算弹塑性碰撞用分段线性/幂指数强化材料模型，应力σ和应变ε的关系如下式：

$\mathrm{\&sigma;}=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{E\&epsiv;},& \mathrm{\&sigma;}<{\mathrm{\&sigma;}}_s\\ {\mathrm{K\&epsiv;}}^n,& \mathrm{\&sigma;}>{\mathrm{\&sigma;}}_s\end{array}\right.$

式中：σs是屈服极限；K是强度系数；E是弹性模量；n是应变强化指数。

应用赫兹(Hertz)理论分析小球与墙壁的碰撞：

一个半径、弹性模量、泊松比、质量分别是R、E、v、m，的小球以相对速度v碰撞墙壁，接触半径a：

等效质量m*满足1/m*＝1/m₁+1/m₂。

球心与管道的相互接近距离δ，也就是小球碰撞墙壁后，墙壁的变形量：

δ＝a²/R^*

其中：等效半径R*满足：1/R*＝1/R₁-1/R₂；R₁为小球的半径，R₂为管道横截面的半径。

接触力F_合：

θ为碰撞时小球的速度方向与墙壁的法线间的夹角。

等效弹性模量E*满足1/E*＝(1-v₁ ²)/E₁+(1-v₂ ²)/E₂。

接触中心点最大压应力σ₀＝3P/2πa，

应力分布σ(r，t)：

r为小球距接触点的距离。

2.3 多人语音通信软件的设计

本发明中的多人语音通信软件采用基于H.323协议的多点音频会议系统实现。该系统定义了三个主要的组件：终端、关守、多点控制单元(MCU)，总体架构如图6所示。

2.3.1终端

终端提供实时、双向通信，其功能如图7所示。本多点音频会议系统的终端包括以下功能模块：系统控制单元、H.225.0层、网络传输层、音频编解码单元。

音频编码器：首先对从麦克风输入的音频信息进行数字化和压缩编码，在接收端进行解码，输出到扬声器外放。音频编码器使用的音频算法采用G.729来确定，是在能力交换期间通过使用H.245协商得到的，其编码后的音频信号根据H.225.0标准格式化后再进行传输。

系统控制单元：本多点音频会议系统的通信是音频、控制信息的混合，系统控制单元是系统终端的核心，它提供了终端正确操作的信令。其功能包括呼叫控制(建立与拆除)、能力交换、命令和指示信令以及用于开放和描述逻辑信道内容的报文等。整个多点音频会议系统的控制由H.245控制信道、H.225.0呼叫信令信道以及RAS信道组成。

2.3.2关守

关守功能模块向H.323终端提供呼叫控制服务，主要包括地址翻译、带宽控制、许可控制与区域管理等功能。

2.3.3多点控制单元

本发明设计的基于H.323协议的多点音频会议系统中，MCU由一个MC(多点控制器)和四个MP(多点处理器)组成。MC通过处理终端之间的H.245控制信息，来控制音频对会议资源的使用，同时还可以通过判断哪些音频流需要多播来控制会议资源。MP通过对音频信息进行混合、切换来处理媒体信息流，允许同时发送或接收多个音频信道信息。保证多人参与游戏时同时通话的音效和实时性。

Claims (6)

1.一种分布式力反馈感知系统，其特征在于包括：

一台服务器；

若干客户端，每个客户端配备计算和显示终端；

若干台三维力反馈设备，其数量与客户端数量相同；

上述服务器、客户端和三维力反馈设备通过网络连接；

所述服务器中装有以下模块：

立体迷宫场景构建模块，用于构建以管道形成的立体迷宫场景；

通讯模块，客户端数据采集模块对三维力反馈设备产生的触发信号进行去噪和A/D转换后送至通讯模块，通讯模块对多路输入的力反馈信号进行汇总后送至小球运动速度、位置合成计算模块；

小球运动速度、位置合成计算模块，用于计算小球在管道中的运动速度和位置；

场景同步模块，用于对多个客户端的场景进行同步处理；

碰撞检测模块，用于实时检测小球与迷宫中的管道是否碰撞；

力反馈大小解算模块，用于解算小球与迷宫中的管道碰撞后产生的反馈力；

反馈控制模块，用于将解算的反馈力传至各客户端。

2.一种基于权利要求1所述的系统中实现的分布式力反馈感知方法，其特征在于包括以下步骤：

1)构建立体迷宫场景；

2)客户端数据采集模块对输入力反馈装置的触发信号进行去噪、A/D转换后，转向通讯模块；

3)通讯模块对多路输入的力反馈信号进行汇总，小球运动速度、位置合成计算模块合成计算小球的速度及位置参数；

4)场景同步模块将多个客户端的场景进行同步处理；

5)碰撞检测模块实时检测小球是否与迷宫中的管道发生碰撞，若未发生碰撞则转步骤7)；若发生碰撞则进行碰撞响应，继续步骤6)；

6)根据力反馈实时解算小球与迷宫中的管道碰撞后产生的反馈力，向客户端同步输出大小和方向一致的反馈力；

7)判断是否到迷宫通关时限，若时间到，则停止场景漫游，否则转步骤2)，循环进行。

3.如权利要求2所述的分布式力反馈感知方法，其特征在于：

所述步骤1)中构建立体迷宫场景的具体步骤是：

借助长方体构建迷宫场景，将长方体以等间隔切分成多个小正方体，以每个小正方体的边、面对角线、体对角线为管道方向构建迷宫场景，这样可以保证场景中管道方向的多样性；通过球心和半径来描述球体，通过中轴线和半径来描述管道，确定接触位置，立体迷宫管道三维模型采用3dmax软件分段制作。

4.如权利要求2所述的分布式力反馈感知方法，其特征在于：

所述步骤3)中合成计算小球的速度及位置参数的具体步骤是：

3.1)计算球体所受的合力和合力矩；

3.2)积分球体状态及空间位置，球体状态包括线速度、角速度、线加速度、角加速度；

3.3)当球体与管道发生碰撞时，测定计算球体发生碰撞时的接触域；

3.4)由球体的接触域及球体的状态计算发生碰撞时球体所受冲量的作用点；

3.5)利用动量及动量矩定理计算球体碰撞后的状态，即碰撞响应，该状态包括球体碰撞后的线速度和角速度，如果球体运动时同时受到n个力的作用，则利用叠加原理计算球体受到的合力F_i与合力矩M_i，作为下次计算F_i+1及M_i+1时作用于球体质心的主动力及力矩，这里i＝1，2，...，n-1。

5.如权利要求2所述的分布式力反馈感知方法，其特征在于：

在所述步骤4)中场景同步模块对场景和力触觉信息的同步处理采用基于主从模式分布式虚拟仿真软件体系结构，每个集群节点都运行迷宫场景漫游程序，绘制计算分布到各客户端执行，每绘制一帧，服务器节点只需传输必要的控制命令，不需要通过网络传输所有的管道和小球模型数据，主节点负责处理所有客户端用户通过力反馈操作杆输入的不定时发生的交互信息和其它状态改变信息，并且通过网络同步所有其它节点的状态变化，确保几个参与互动的用户看到同样的场景、感受到同样的力反馈，交互信息和力觉反馈信息通过实时网络通讯模块进行传递。

6.如权利要求5所述的分布式力反馈感知方法，其特征在于：

所述步骤4)中交互信息和力觉反馈信息通过实时网络通讯模块进行传递，该模块具有外部分系统对接功能，能够提供以下三种接口模式：1)符合DIS PDU规范的网络接口；2)程序自定义数据结构的网络接口；3)希望的特定通讯方式。

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