CN110688006A - 基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于虚拟现实领域，具体涉及基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作装置及方法。本发明虚拟黏土生成方法为：在交互式模型编辑模块中获取的输入流中，确定圆柱体的高度和半径；生成初始圆柱体网格后，对截面中心进行随机化处理；将柏林噪音添加上述生成的每个圆形截面中心和每个顶点的半径中，使用生成函数通过计算生成黏土网格。制作装置的组成包括网格生成模块、交互式模型编辑模块、触觉反馈模块、实时虚拟显示模块；与现有技术相比，本发明提供的真实手部触觉的陶器制作装置将陶瓷塑造工艺与虚拟现实技术相融合。建立与现实高度相似的手部触觉反馈，减少制陶工艺过程中产生的环境污染和能源浪费，可以用于艺术领域和教学训练领域。

Description

基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作装置及方法

技术领域

本发明属于虚拟现实领域，具体涉及基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作装置及方法。

背景技术

虚拟现实技术是一种全部或部分由计算机生成的视觉、听觉、触觉等多维感知环境。给人提供一个观察并与虚拟环境进行交互的多维人机接口，使人可以进入虚拟环境中直接观察事物的内在变化并与事物发生交互作用，给人一种"身临其境"的真实感。陶器是人类历史上许多文明中最古老的发明之一，它是通过将粘土塑造成各种各样的形状而制成的，但是制陶行业中的粉尘、噪音、高温、有害气体、重金属等因素对人体的伤害极大，同时工业废水、固体废料、烟气等对环境的污染和对资源的浪费也存在很大的问题。

近年来，人们尝试借助计算机辅助设计，CAD，软件和3D打印机以数字化的方式制作陶瓷模型。然而，尽管最先进的CAD工具：Maya、3ds Max等，为3D建模提供了强大的工具集和丰富的功能，但由于用户界面复杂，这些系统对于初学者和儿童来说认知负荷极大。

有几种专门为陶器设计开发的桌面CAD系统，Koutsoudis,A等人的“A tool forgenerating 3d models of ancient greek pottery”，可以根据用户键盘和鼠标输入的值生成三维陶瓷模型网格。虽然与专业工具相比，这些系统具有简化的用户界面，但是这些系统的体验并不直观，操作也与实际的陶器工作流相差甚远。

为了解决上述情况，一些基于相机的虚拟陶器系统已经开发出来，Han,Y.C等人的“Virtual pottery:a virtual 3d audiovisual interface using natural handmotions”，它们提供了自然和直观的用户界面，允许用户通过徒手交互来设计陶器。这些作品确实提供了一个温和的学习曲线，但是，它们有一些共同的局限性。

(1)虽然在这些系统中徒手交互很简单，但是基于深度相机的输入不精确，影响了效率和体验。(2)在真实感方面，这些系统缺少沉浸感或触觉反馈，用户体验不那么真实。此外，这些系统忽略了粘土的一些视觉特征，即形状不规则、厚度等，这在设计过程中破坏了现实的外观和感觉。(3)变形参数不能由使用者交互调节，限制了因变形参数的不同，而可能产生的各种影响。

综上所述，本发明提出一种基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作装置及方法。带有手部触觉反馈装置，可以3D打印出用户设计的陶瓷模型。提供虚拟的陶艺工作流、现实的外观和真实的触觉反馈,使用者可以健康环保的享受陶艺。与传统的三维建模工具相比，本发明更易于使用，与触摸屏应用程序相比，本发明提供更多的创意。

发明内容

本发明的目的在于提供基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作装置及方法。

本发明的目的是这样实现的：

基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作装置，该装置包括网格生成模块、交互式模型编辑模块、交互式编辑信息处理模块、触觉反馈模块、实时虚拟显示模块；使用者输入网络生成模块，网络生成模块产生的粘土网络输入交互式模型编辑模块，交互式模型编辑模块输出为黏土网格的模型信息，并将实时编辑结果处理后，传输给交互式编辑信息处理模块和触觉反馈模块，触觉反馈模块将定位信息进行坐标转换后，结合黏土网格实时数据，输出给虚拟实时显示模块，通过3D打印设备进行打印。

所述交互式模型编辑模块包括：旋转对称控制模块、高度控制模块、厚度控制模块、网格变形模块、网格平滑模块。

所述的触觉反馈模块包括：定位模块、坐标转换模块、摩擦力模拟模块、温度模拟模块、反作用力模拟模块，触觉反馈模块的设备包括：多个IMU惯性测量单元、电容传感器、手型包裹触感反馈设备。

所述实时虚拟显示模块包括：眼球追踪模块、触觉设备定位模块、定位信息自动修正模块、交互编辑信息处理模块、第一人称视角图像输出模块。

该方法包括以下步骤：

步骤1：在交互式模型编辑模块获取的输入流中，确定初始圆柱体的高度h和半径r；

步骤2：对网格中每个顶点使用m×n矩阵M存储半径值；

步骤3：对初始的对称网格的每个圆形截面的中心位置O进行随机化处理；

步骤4：对上述处理过的所有半径和截面添加柏林噪声；

步骤5：生成内部和底部的边；

步骤6：根据上述得到的内边和外边分别生成对应顶点；

步骤7：根据顶点索引构造生成网格。

其中步骤2所述的半径值

为：

其中，i为矩阵M的第i行，h为初始圆柱体的高度，r为初始圆柱体的半径，m为矩阵M的行数，h_i为顶点V_i,j的高度，α∈[0,1]，当α＝0时生成半球形网格，当α＝1时生成圆柱形网格，α在0到1之间时网格形状是不规则的。

步骤4所述的柏林噪声添加到每个圆截面的中心，新的截面中心O_i表示为下式：

O_i＝[η_cicosφ_i，h_i，η_cisinφ_i]^T

其中，φ_i是随机程度，η_ci是随机半径，对于每个点的新的半径

表示为下式：

其中，η_rowi是每个圆截面的半径噪音，

是每个顶点的半径，

为顶点V_i,j的半径值，每个顶点的半径值r_i,j表示为下式：

其中，

步骤5所述的生成内部和底部的边，其内侧面顶点v'_i,j的三维坐标为：

当β＝1时，v′_i,j＝[0,h_i,0]^T

当0≤β＜1时，v′_i,j＝[r′_i,jcosθ_j,h_i,r′_i,jsinθ_j]^T

当β≥1，v′_i,j＝r_i,j-max(t_min,r_topβ)，

其中，β是网格厚度比，在网格生成阶段，t的默认值为1，表示网格为实心；在网格变形阶段，t值由通过交互式模型编辑模块的输入流获取，r_top是最大的顶部截面半径值。

本发明的有益效果在于：

与现有技术相比，本发明提供的基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作装置将陶瓷塑造工艺与虚拟现实技术相融合。建立与现实高度相似的手部触觉反馈，减少制陶工艺过程中产生的环境污染和能源浪费，可以用于艺术领域和教学训练领域。

附图说明

图1为基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作装置的一种实施例的构成概略方块图。

图2为虚拟黏土生成方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

本发明是针对虚拟现实领域提出的一种基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作装置及方法。允许用户通过手部触觉反馈交互装置，通过双手交互来制作陶艺作品。旨在提出一种需要更低的认知负荷的虚拟陶艺系统，使用户可以实时直观地塑造虚拟黏土。

本发明的目的是这样实现的：

基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作装置，该装置包括网格生成模块、交互式模型编辑模块、交互式编辑信息处理模块、触觉反馈模块、实时虚拟显示模块；使用者输入网络生成模块，网络生成模块产生的粘土网络输入交互式模型编辑模块，交互式模型编辑模块输出为黏土网格的模型信息，并将实时编辑结果处理后，传输给交互式编辑信息处理模块和触觉反馈模块，触觉反馈模块将定位信息进行坐标转换后，结合黏土网格实时数据，输出给虚拟实时显示模块，通过3D打印设备进行打印。

本发明一种基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作装置的组成包括网格生成模块、交互式模型编辑模块、触觉反馈模块、实时虚拟显示模块；所述触觉反馈设备包括：多个IMU惯性测量单元、电容传感器、手型包裹触感反馈设备。用于获取使用者的定位信息并与黏土网格进行交互，给使用者提供真实的触觉感受；所述交互式模型编辑模块用于接收网格生成模块产生的黏土网格，对触觉制动设备发送的数据流进行定位和坐标转换，输出为黏土网格的模型信息，并将实时编辑结果处理后，传输给交互式模型编辑模块和触觉反馈模块。

本发明的基于虚拟现实技术的虚拟黏土生成方法为：在交互式模型编辑模块中获取的输入流中，确定圆柱体的高度和半径。生成初始圆柱体网格后，对截面中心进行随机化处理。将柏林噪音添加上述生成的每个圆形截面中心和每个顶点的半径中，使用生成函数通过计算生成黏土网格。

该方法包括以下步骤：

步骤1：在交互式模型编辑模块获取的输入流中，确定初始圆柱体的高度h和半径r；

步骤2：对网格中每个顶点使用m×n矩阵M存储半径值；

步骤3：对初始的对称网格的每个圆形截面的中心位置O进行随机化处理；

步骤4：对上述处理过的所有半径和截面添加柏林噪声；

步骤5：生成内部和底部的边；

步骤6：根据上述得到的内边和外边分别生成对应顶点；

步骤7：根据顶点索引构造生成网格。

所述交互式模型编辑模块包括：旋转对称控制模块、高度控制模块、厚度控制模块、网格变形模块、网格平滑模块。使用者可以根据自己的意愿，自由的对虚拟黏土的形态进行编辑。

所述触觉反馈模块包括：定位模块、坐标转换模块、交互模块、摩擦力模拟模块、温度模拟模块、反作用力模拟模块。定位模块的多个IMU惯性测量单元的单轴加速度计，记录物体的三轴惯性姿态角及加速度，单轴陀螺仪检测性对于三维空间中的虚拟坐标系的角速度和加速度，以此计算出双手的位置姿态及与虚拟网格的相对位置关系。将定位信息进行坐标转换后输入交互模块，结合黏土网格实时数据，输出编辑结果，输出给虚拟实时显示模块。同时摩擦力模拟模块、温度模拟模块、反作用力模拟模块根据输入流通过电容传感器和手型包裹触感反馈设备，将摩擦力、温度和反作用力等触觉反馈使用者。

所述虚拟实时显示模块包括：眼球追踪模块、触觉设备定位模块、定位信息自动修正模块、交互编辑信息处理模块、第一人称视角图像输出模块。通过眼球追踪、触觉设备定位、定位信息自动修正等模块，保证定位信息的精准性。通过头戴式显示器设备，以第一人称的视角，显示使用者双手和黏土的相对位置，实时将编辑信息渲染在显示设备中。塑型完成以后，通过3D打印设备进行打印。

本发明的基于一种基于虚拟现实技术的虚拟黏土生成方法的实现过程如下：

(1)在交互式模型编辑模块获取的输入流中，确定初始圆柱体的高度h和半径r；

(2)对网格中每个顶点使用m·n矩阵M存储半径值，对于每个顶点V_i,j的半径

为：

其中，i为矩阵M的第i行，h为初始圆柱体的高度，r为初始圆柱体的半径，m为矩阵M的行数，h_i为顶点V_i,j的高度，α∈[0,1]，当α＝0时生成半球形网格，当α＝1时生成圆柱形网格，α在0到1之间时网格形状是不规则的。

(3)对初始的对称网格的每个圆形截面的中心位置O进行随机化处理；

(4)对上述处理过的所有半径和截面添加柏林噪声；

噪声添加到每个圆截面的中心，随机参数φ_i和η_ci用来计算新的截面中心O_i

O_i＝[η_cicosφ_i，h_i，η_cisinφ_i]^T

φ_i是随机程度，η_ci是随机半径，对于每个点的新的半径

η_rowi是每个圆截面的半径噪音，

是每个顶点的半径，每个顶点的半径值r_i，j为

v_i,j＝[r_i,jcosθ_j,h_i,r_i,jsinθ_j]^T

(5)生成内部和底部的边，内侧面顶点V′_i,j的三维坐标为：

当β＝1时v′_i,j＝[0,h_i,0]^T

当0≤β＜1时v′_i,j＝[r′_i,jcosθ_j,h_i,r′_i,jsinθ_j]^T

v′_i,j＝r_i,j-max(t_min,r_topβ)

β是网格厚度比，在网格生成阶段，t的默认值为1，表示网格为实心；在网格变形阶段，t值可由通过交互式模型编辑模块的输入流获取。r_top是最大的顶部截面半径值，保证各部分厚度相等。

(6)根据上述得到的内边和外边分别生成对应顶点。

(7)根据顶点索引构造生成网格

本发明优点在于：与现有技术相比，本发明提供的基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作装置将陶瓷塑造工艺与虚拟现实技术相融合。建立与现实高度相似的手部触觉反馈，减少制陶工艺过程中产生的环境污染和能源浪费，可以用于艺术领域和教学训练领域。

Claims (8)

1.基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作装置，其特征在于：该装置包括网格生成模块、交互式模型编辑模块、交互式编辑信息处理模块、触觉反馈模块、实时虚拟显示模块；使用者输入网络生成模块，网络生成模块产生的粘土网络输入交互式模型编辑模块，交互式模型编辑模块输出为黏土网格的模型信息，并将实时编辑结果处理后，传输给交互式编辑信息处理模块和触觉反馈模块，触觉反馈模块将定位信息进行坐标转换后，结合黏土网格实时数据，输出给虚拟实时显示模块，通过3D打印设备进行打印。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作装置，其特征在于，所述交互式模型编辑模块包括：旋转对称控制模块、高度控制模块、厚度控制模块、网格变形模块、网格平滑模块。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作装置，其特征在于，所述的触觉反馈模块包括：定位模块、坐标转换模块、摩擦力模拟模块、温度模拟模块、反作用力模拟模块，触觉反馈模块的设备包括：多个IMU惯性测量单元、电容传感器、手型包裹触感反馈设备。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作装置，其特征在于，所述实时虚拟显示模块包括：眼球追踪模块、触觉设备定位模块、定位信息自动修正模块、交互编辑信息处理模块、第一人称视角图像输出模块。

5.基于权利要求1所述的基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作装置的基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：在交互式模型编辑模块获取的输入流中，确定初始圆柱体的高度h和半径r；

步骤2：对网格中每个顶点使用m×n矩阵M存储半径值；

步骤3：对初始的对称网格的每个圆形截面的中心位置O进行随机化处理；

步骤4：对上述处理过的所有半径和截面添加柏林噪声；

步骤5：生成内部和底部的边；

步骤6：根据得到的内边和外边分别生成对应顶点；

步骤7：根据顶点索引构造生成网格。

6.根据权利要求5所述的基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作方法，其特征在于，步骤2所述的半径值为：

其中，i为矩阵M的第i行，h为初始圆柱体的高度，r为初始圆柱体的半径，m为矩阵M的行数，h_i为顶点V_i,j的高度，α∈[0,1]，当α＝0时生成半球形网格，当α＝1时生成圆柱形网格，α在0到1之间时网格形状是不规则的。

7.根据权利要求5所述的基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作方法，其特征在于，步骤4所述的柏林噪声添加到每个圆截面的中心，新的截面中心O_i表示为下式：

O_i＝[η_cicosφ_i，h_i，η_cisinφ_i]^T

其中，φ_i是随机程度，η_ci是随机半径，对于每个点的新的半径

表示为下式：

其中，η_rowi是每个圆截面的半径噪音，

是每个顶点的半径，

为顶点V_i,j的半径值，每个顶点的半径值r_i,j表示为下式：

其中，

8.根据权利要求5所述的基于虚拟现实技术的真实手部触觉的陶器制作方法，其特征在于，步骤5所述的生成内部和底部的边，其内侧面顶点v′_i,j的三维坐标为：

当β＝1时，v′_i,j＝[0,h_i,0]^T

当0≤β＜1时，v′_i,j＝[r′_i,jcosθ_j,h_i,r′_i,jsinθ_j]^T

当β≥1，v′_i,j＝r_i,j-max(t_min,r_topβ)，

其中，β是网格厚度比，在网格生成阶段，t的默认值为1，表示网格为实心；在网格变形阶段，t值由通过交互式模型编辑模块的输入流获取，r_top是最大的顶部截面半径值。

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