反馈力生成方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种反馈力生成方法及装置，该方法包括：建立虚拟物体对应的物体八叉球树模型及图形工具对应的图形工具八叉球树模型，采用所述物体八叉球树模型和所述图形工具八叉球树模型进行所述虚拟物体与所述图形工具之间的碰撞检测，基于碰撞检测结果进行图形工具的位姿优化，并生成反馈力。该方法能够快速并且准确地检测出虚拟物体和图形工具之间的碰撞信息，并且使得反馈力生成的效果逼真、实时、没有延迟。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及虚拟现实技术，尤其涉及一种反馈力生成方法及装置。
技术介绍
随着触觉交互技术与计算机技术的进步，触觉信息正被逐渐引入虚拟现实系统，使操作者在对虚拟环境中的虚拟物体进行操作时，感受到虚拟物体之间作用力及运动，体验到如同操作真实物体的触觉感知效果。该技术可以应用在医疗、航天、商业、教育等众多领域中。现有技术中，以牙科临床前期训练过程为例，在牙科临床前期训练过程中，首先使用电子计算机断层扫描(Computed Tomography，简称CT)等数据在计算机中重构人体或某一器官的几何模型，进而采用虚拟现实技术赋予模型一定的物理特征(例如密度、韧度、组织比例等)，再通过机械手或数据手套等力觉交互工具在计算机中模拟手术过程，其中包括对触觉的感知，从而达到节省训练费用，提高医生的操作熟练度，减少因临床经验不足造成的病人损伤等效果。但是，采用现有技术，对于触觉感知的真实度模拟不足，例如牙科临床前期训练过程中，对于探针触碰牙齿的触觉模拟所获取的真实度存在一定欠缺，并且模拟过程中响应速度慢。
技术实现思路
本专利技术提供一种反馈力生成方法及装置，用于解决现有技术在模拟过程中真实度不够并且响应速度慢的问题。本专利技术第一方面提供一种反馈力生成方法，包括：根据物体三角网格模型建立虚拟物体对应的物体八叉球树模型，其中，所述物体八叉球树模型由预设层数的物体球组成，最外层的物体球为最大的一个物体球，依次向内的每一层都包括多个物体球，每层的多个物体球均匀
分布在上一层的至少一个物体球内；根据图形工具三角网格模型建立图形工具对应的图形工具八叉球树模型，其中，所述图形工具八叉球树模型由所述预设层数的工具球组成，最外层的工具球为最大的一个工具球，依次向内的每一层都包括多个工具球，每层的多个工具球均匀分布在上一层的至少一个工具球内；采用所述物体八叉球树模型和所述图形工具八叉球树模型进行所述虚拟物体与所述图形工具之间的碰撞检测，获取碰撞球对的集合，所述碰撞球对为所述物体八叉球树模型和所述图形工具八叉球树模型碰撞后相交部分中最内层相交的工具球和物体球；根据所述碰撞球对的集合计算所述图形工具的优化位姿；计算所述图形工具的优化位姿与预设的物理工具位姿的差值，并根据所述差值计算反馈力。进一步地，所述采用所述物体八叉球树模型和所述图形工具八叉球树模型进行所述虚拟物体与所述图形工具之间的碰撞检测，获取碰撞球对的集合，包括：A、判断所述物体八叉球树模型的当前检测层中物体球与所述图形工具八叉球树模型的当前检测层中工具球是否相交，若相交，则将所述物体八叉球树模型的当前检测层中与所述图形工具八叉球树模型的当前检测层中相交的物体球和工具球球对集合作为碰撞球对的集合；B、判断所述碰撞球对的集合中的所述物体球与所述工具球是否相交，若相交，则将所述物体球所包含的所有下一层物体球与所述工具球所包含的所有下一层工具球的球对集合作为新的所述碰撞球对的集合，并将所述物体八叉球树模型的当前检测层的下一层作为所述物体八叉球树模型的新的当前检测层，以及将所述图形工具八叉球树模型的当前检测层的下一层作为所述图形工具八叉球树模型的新的当前检测层；C、循环执行B，直至所述图形工具八叉球树模型的当前检测层为所述图形工具八叉球树模型的最内层以及所述物体八叉球树模型的当前检测层为所述物体八叉球树模型的最内层，或者，直至所述碰撞球对的集合为空。进一步地，所述判断所述物体八叉球树模型的当前检测层中物体球与所述图形工具八叉球树模型的当前检测层中工具球是否相交，包括：根据公式进行计算，若计算结果小于零，则确定所述物体球与所述工具球相交，否则不相交；其中，r1为所述物体八叉球树模型的当前检测层中物体球的半径，r2为所述图形工具八叉球树模型的当前检测层中工具球的半径。进一步地，所述根据所述碰撞球对的集合计算所述图形工具的优化位姿，包括：根据公式进行迭代计算，求解出满足最小势能原理并且符合约束条件的将所述作为所述图形工具的优化位姿；其中，所述约束条件是指所述图形工具和所述虚拟物体的距离大于所述图形工具的半径和所述虚拟物体的半径之和，为预设的物理工具的位姿，G为预设刚度矩阵，且所述预设刚度矩阵为对角矩阵，所述对角矩阵的对角线上的元素对应的是所述图形工具三维平动和三维转动的刚度系数，xi，yi，zi用于表示所述图形工具对应的所述工具球的球心，xj，yj，zj用于表示所述虚拟物体对应的所述物体球的球心，ri表示所述图形工具对应的所述工具球的半径，rj表示所述虚拟物体对应的所述物体球的半径。进一步地，所述计算所述图形工具的优化位姿与预设的物理工具的位姿的差值，并根据所述差值计算反馈力，包括：根据公式计算所述反馈力，其中，G表示所述预设刚度矩阵，为所述图形工具的优化位姿，为预设的物理工具的位姿，(Fx,Fy,Fz,Tx,Ty,Tz)为所述反馈力。本专利技术第二方面提供一种反馈力生成装置，包括：第一建立模块，用于根据物体三角网格模型建立虚拟物体对应的物体八叉球树模型，其中，所述物体八叉球树模型由预设层数的物体球组成，最外
层的物体球为最大的一个物体球，依次向内的每一层都包括多个物体球，每层的多个物体球均匀分布在上一层的至少一个物体球内；第二建立模块，用于根据图形工具三角网格模型建立图形工具对应的图形工具八叉球树模型，其中，所述图形工具八叉球树模型由所述预设层数的工具球组成，最外层的工具球为最大的一个工具球，依次向内的每一层都包括多个工具球，每层的多个工具球均匀分布在上一层的至少一个工具球内；检测模块，用于采用所述物体八叉球树模型和所述图形工具八叉球树模型进行所述虚拟物体与所述图形工具之间的碰撞检测，获取碰撞球对的集合，所述碰撞球对为所述物体八叉球树模型和所述图形工具八叉球树模型碰撞后相交部分中最内层相交的工具球和物体球；第一计算模块，用于根据所述碰撞球对的集合计算所述图形工具的优化位姿；第二计算模块，用于计算所述图形工具的优化位姿与预设的物理工具位姿的差值，并根据所述差值计算反馈力。进一步地，所述检测模块具体用于：A、判断所述物体八叉球树模型的当前检测层中物体球与所述图形工具八叉球树模型的当前检测层中工具球是否相交，若相交，则将所述物体八叉球树模型的当前检测层中与所述图形工具八叉球树模型的当前检测层中相交的物体球和工具球球对集合作为碰撞球对的集合；B、判断所述碰撞球对的集合中的所述物体球与所述工具球是否相交，若相交，则将所述物体球所包含的所有下一层物体球与所述工具球所包含的所有下一层工具球的球对集合作为新的所述碰撞球对的集合，并将所述物体八叉球树模型的当前检测层的下一层作为所述物体八叉球树模型的新的当前检测层，以及将所述图形工具八叉球树模型的当前检测层的下一层作为所述图形工具八叉球树模型的新的当前检测层；C、循环执行B，直至所述图形工具八叉球树模型的当前检测层为所述图形工具八叉球树模型的最内层以及所述物体八叉球树模型的当前检测层为所述物体八叉球树模型的最内层，或者，直至所述碰撞球对的集合为空。进一步地，所述检测模块具体还用于：根据公式进行计算，若计算结果小于零，则确定所述
物体球与所述工具球相交，否则不相交；其中，r1为所述物体八叉球树模型的当前检测层中物体球的半径，r2为所述图形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种反馈力生成方法，其特征在于，包括：根据物体三角网格模型建立虚拟物体对应的物体八叉球树模型，其中，所述物体八叉球树模型由预设层数的物体球组成，最外层的物体球为最大的一个物体球，依次向内的每一层都包括多个物体球，每层的多个物体球均匀分布在上一层的至少一个物体球内；根据图形工具三角网格模型建立图形工具对应的图形工具八叉球树模型，其中，所述图形工具八叉球树模型由所述预设层数的工具球组成，最外层的工具球为最大的一个工具球，依次向内的每一层都包括多个工具球，每层的多个工具球均匀分布在上一层的至少一个工具球内；采用所述物体八叉球树模型和所述图形工具八叉球树模型进行所述虚拟物体与所述图形工具之间的碰撞检测，获取碰撞球对的集合，所述碰撞球对为所述物体八叉球树模型和所述图形工具八叉球树模型碰撞后相交部分中最内层相交的工具球和物体球；根据所述碰撞球对的集合计算所述图形工具的优化位姿；计算所述图形工具的优化位姿与预设的物理工具位姿的差值，并根据所述差值计算反馈力。

【技术特征摘要】
1.一种反馈力生成方法，其特征在于，包括：根据物体三角网格模型建立虚拟物体对应的物体八叉球树模型，其中，所述物体八叉球树模型由预设层数的物体球组成，最外层的物体球为最大的一个物体球，依次向内的每一层都包括多个物体球，每层的多个物体球均匀分布在上一层的至少一个物体球内；根据图形工具三角网格模型建立图形工具对应的图形工具八叉球树模型，其中，所述图形工具八叉球树模型由所述预设层数的工具球组成，最外层的工具球为最大的一个工具球，依次向内的每一层都包括多个工具球，每层的多个工具球均匀分布在上一层的至少一个工具球内；采用所述物体八叉球树模型和所述图形工具八叉球树模型进行所述虚拟物体与所述图形工具之间的碰撞检测，获取碰撞球对的集合，所述碰撞球对为所述物体八叉球树模型和所述图形工具八叉球树模型碰撞后相交部分中最内层相交的工具球和物体球；根据所述碰撞球对的集合计算所述图形工具的优化位姿；计算所述图形工具的优化位姿与预设的物理工具位姿的差值，并根据所述差值计算反馈力。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用所述物体八叉球树模型和所述图形工具八叉球树模型进行所述虚拟物体与所述图形工具之间的碰撞检测，获取碰撞球对的集合，包括：A、判断所述物体八叉球树模型的当前检测层中物体球与所述图形工具八叉球树模型的当前检测层中工具球是否相交，若相交，则将所述物体八叉球树模型的当前检测层中与所述图形工具八叉球树模型的当前检测层中相交的物体球和工具球球对集合作为碰撞球对的集合；B、判断所述碰撞球对的集合中的所述物体球与所述工具球是否相交，若相交，则将所述物体球所包含的所有下一层物体球与所述工具球所包含的所有下一层工具球的球对集合作为新的所述碰撞球对的集合，并将所述物体八叉球树模型的当前检测层的下一层作为所述物体八叉球树模型的新的当前检测层，以及将所述图形工具八叉球树模型的当前检测层的下一层作为所述图形工具八叉球树模型的新的当前检测层；C、循环执行B，直至所述图形工具八叉球树模型的当前检测层为所述图形工具八叉球树模型的最内层以及所述物体八叉球树模型的当前检测层为所述物体八叉球树模型的最内层，或者，直至所述碰撞球对的集合为空。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述判断所述物体八叉球树模型的当前检测层中物体球与所述图形工具八叉球树模型的当前检测层中工具球是否相交，包括：根据公式进行计算，若计算结果小于零，则确定所述物体球与所述工具球相交，否则不相交；其中，r1为所述物体八叉球树模型的当前检测层中物体球的半径，r2为所述图形工具八叉球树模型的当前检测层中工具球的半径。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述碰撞球对的集合计算所述图形工具的优化位姿，包括：根据公式进行迭代计算，求解出满足最小势能原理并且符合约束条件的将所述作为所述图形工具的优化位姿；其中，所述约束条件是指所述图形工具和所述虚拟物体的距离大于所述图形工具的半径和所述虚拟物体的半径之和，为预设的物理工具的位姿，G为预设刚度矩阵，且所述预设刚度矩阵为对角矩阵，所述对角矩阵的对角线上的元素对应的是所述图形工具三维平动和三维转动的刚度系数，xi，yi，zi用于表示所述图形工具对应的所述工具球的球心，xj，yj，zj用于表示所述虚拟物体对应的所述物体球的球心，ri表示所述图形工具对应的所述工具球的半径，rj表示所述虚拟物体对应的所述物体球的半径。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述图形工具的优化位姿与预设的物理工具位姿的差值，并根据所述差值计算反馈力，包括：根据公式计算所述反馈力，其中，G表示所述预设刚度矩阵，为所述图形工具...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝爱民，王党校，孔逸飞，史有皎，赵晓含，
申请(专利权)人：北京天人同达软件科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11