基于点的触觉式曲面变形操作研究

论文摘要

基于触觉的计算机辅助造型设计将设计师纳入产品数字化开发的流程,能够缩短开发周期降低开发成本,是触觉交互研究的一个应用方向。本文基于触觉变形操作原理研究了基于点的触觉式曲面变形操作技术,实现了实时触觉式曲面变形交互操作,为计算机辅助曲面建模提供了一种基于触觉设备的新途径。论文首先研究了基于物理的质点弹簧系统的组成和结构,提出了质点间弹簧和阻尼约束力及外部对质点作用力的计算方法,并通过常微分方程数值解算器实现了质点实时位置状态的计算,建立了可变曲面模型。进而文章对触觉式曲面变形操作的原理进行了研究并设计了由触觉设备PHANToMOmni及应用程序组成的触觉变形操作系统。其次本文基于鼠标和触觉设备对曲面进行变形操作的实现方法进行了研究,设计了操作点选择算法和设备对操作点作用力算法,建立了交互式曲面变形操作模式,实现了支持触觉反馈的曲面建模交互操作。再次对由质点系获得的曲面几何模型的表示方法,包括三角多边形模型表示法和基于NURBS的曲面节点拟合方法,本文研究了其原理及在OpenGL和HLAPI环境中两种方法的图形和触觉渲染技术,为曲面变形操作人机界面提供了视觉和触觉反馈。最后本文通过设计事件回调函数,构建质点弹簧系统类,设置交互操作菜单等工作编写了基于点的触觉式曲面变形操作应用程序,初步建立了基于点的触觉式曲面变形操作系统,在设计过程中,用户通过PHANToM Omni能够物理地感知虚拟物体的真实属性并交互式地进行曲面变形操作。同时通过曲面变形操作应用程序,分析了弹簧刚度和阻尼系数对质点弹簧系统变形行为的影响,总结了曲面变形行为的特点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题研究的背景及意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 课题研究的意义
• 1.2 国内外文献综述
• 1.2.1 触觉技术发展回顾
• 1.2.2 虚拟触觉交互系统的组成及相关理论
• 1.2.3 基于触觉的变形研究综述
• 1.3 本课题主要研究内容
• 第2章 曲面变形操作原理及系统设计
• 2.1 基于质点弹簧系统的曲面变形模型
• 2.1.1 质点弹簧系统简介
• 2.1.2 质点力的计算
• 2.1.3 质点状态的计算
• 2.1.4 常微分方程解算器原理
• 2.2 曲面变形操作原理
• 2.3 系统的组成及功能
• 2.3.1 曲面变形操作系统的组成
• 2.3.2 主计算机
• 2.3.3 触觉交互设备
• 2.4 触觉式曲面操作应用程序设计
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于点的触觉式曲面变形原理研究
• 3.1 坐标的映射
• 3.1.1 坐标系统
• 3.1.2 系统坐标的变换
• 3.2 节点位置操作方法
• 3.2.1 基于鼠标的节点位置操作
• 3.2.2 基于PHANToM Omni 的节点位置操作
• 3.3 曲面的渲染
• 3.3.1 曲面的图像渲染
• 3.3.2 曲面的触觉渲染
• 3.4 本章小结
• 第4章 应用程序编设计及算例结果分析
• 4.1 结合OpenGL 和HLAPI 的编程
• 4.1.1 OpenGL 与HLAPI 简介
• 4.1.2 结合OpenGL 和HLAPI 的编程流程
• 4.2 程序结构
• 4.2.1 主程序功能分析
• 4.2.2 程序其余部分的功能分析及其实现
• 4.3 程序交互界面设计
• 4.4 曲面性质分析
• 4.4.1 弹簧刚度和阻尼系数对曲面行为的影响
• 4.4.2 曲面大小对计算时间的影响
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢