触觉系统中的三维感知技术方案

可以从具有已知相对位置和取向的换能器阵列产生声场。在该声场中，可以定义一个或多个控制点。可以将幅度分配给控制点。可以通过在包括多个曲线段的单个闭合曲线中移动控制点来针对人手(110)上的虚拟对象(120)生成半空触觉效果。单个闭合曲线横穿人手与虚拟对象相交的至少一个位置。另外，用户可以使用用户的手与虚拟三维内容交互，同时跟踪系统监视用户的手，物理引擎更新虚拟三维内容的特性，并且触觉反馈系统向用户提供触觉信息。

Three-dimensional perception in tactile system

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】触觉系统中的三维感知相关申请本申请要求以下四个美国临时专利申请的权益，所有所述申请通过引用整体而被并入：1)于2016年8月3日提交的序列号62/370,522；2)于2016年8月4日提交的序列号62/370,786；3)于2016年8月4日提交的序列号62/370,865；以及4)于2016年9月21日提交的序列号62/397,419。
本公开总体上涉及用于在基于触觉的系统中感知模拟三维对象和生成三维声音的改进技术。
技术介绍
声音能量的连续分布(被称为“声场”)可以被用于包括半空(midair)中的触觉反馈的一系列应用。可以从具有已知相对位置和取向的换能器阵列产生这样的声场。在该声场中，可以定义一个或多个控制点。这样的控制点可以具有相对于换能器阵列的已知空间关系。这些控制点可以被分配幅度，且然后利用信号对其进行幅度调制，并且因此在半空中产生振动-触觉反馈。产生反馈的替代方法是创建在幅度上未被调制的控制点，并在空间上四处移动它们以创建可以被感觉到的“空间-时间”调制。这些控制点实际上是超声波能量的集中，并且四处移动它们生成空气中的扰动。通过空间调制由超声波焦点创建的这些扰动，简单地前后移动它们，当焦点推动其周围的空气或其他材料时，可以通过声辐射力原理生成低频率声音。此外，当在不缓慢增加或减小幅度的情况下快速创建或破坏这样的焦点时，创建非常突然的扰动。这创建爆裂声(pop)或咔嗒声(click)，其通常是不想要的副作用。移动控制点可被用于实现类似于改变幅度的效果，但没有导致爆裂声和咔嗒声的压力上的急剧变化。这意味着移动控制点比改变其幅度更为可取。由于声音的速度通常快于控制点运动，这使得任何所生成的压力不平衡能够消散，因此可以在不创建有强力空气扰动的情况下快速地移动控制点。当考虑人手和虚拟对象之间的相交(intersection)时，在许多情况下，每个手指和手掌感觉到整体形状的非常小的部分，其用于对整体的理解。因此，当手感觉到形状相交的一小部分时，必须创建整个形状相交以便不创建和破坏必要的控制点。如果控制点被创建和破坏以至于它们仅提供相交的一小部分，这将创建不想要的噪声。描述形状的更经济的方法因此将节省功率和时间，并且然后将使得设备所耗费的功率中的更多能够用于在手触摸的地方创建触觉反馈。由于跨模态和其他感知效应，通过半空触觉来感应触觉感觉在传达对象的存在、几何形状和表面特性时仍出乎意料地有效。从根本上说，尽管许多研究集中在通过单独触摸进行探索，但这些系统的有效使用主要是通过跨多种感官形态提供体验的系统来使用和驱动的。针对这个原因，在实践中存在简单但概念上复杂的效果，其只能通过实现这些基本原理来实现。此外，对于半空触觉设备，理论上可以在半空中重新创建虚拟对象以供用户触摸。但由于半空反馈的性质，存在一些基本的物理限制。这是因为躯体感觉系统的某些部分(例如用于温度感测的温度感受器)不能被设备直接操纵。但是找到一种用于将来自设备的输出-其必然具有半空触觉特有的优点和缺点-映射到与虚拟对象的模拟物理交互上尚是困难的。因此，开发一种容易被人接受作为对应于与对象的合理交互的方法是有价值的。类似地，每当焦点沿着路径移动时，操纵焦点在空中旋转以生成声波是有用的。附图说明附图(其中相似的附图标记贯穿各个视图指代相同或功能相似的元件)连同下面的详细描述被并入说明书中并形成说明书的一部分，并且用于进一步说明包括要求保护的专利技术的概念的实施例，并解释那些实施例的各种原理和优点。图1是根据一些实施例的手与虚拟立方体交互的表示。图2是根据一些实施例的控制点在空气中移动(其生成声波)的表示。技术人员将理解的是，图中的元件是为了简明和清楚而示出的，并且不一定按比例绘制。例如，图中元件中的一些的尺寸可以相对于其他元件被夸大，以帮助提供对本专利技术实施例的理解。装置和方法组件在适当情况下已由常规符号示出在图中，仅显示与理解本专利技术的实施例有关的那些特定细节，以免用对于受益于本文描述的本领域普通技术人员而言将显而易见的细节模糊了本公开。具体实施方式本文描述的涉及与虚拟对象的触摸和听觉交互的方案具有可以组合或单独使用的特性。I.用于3D形状再现的曲线操纵当手与三维模拟形状的壳相交时，当前方案是找到最佳表示将向用户描述的相交的闭合曲线并且致动该路径。由于它是闭合路径，因此系统可以使用沿着路径以给定速度(并因此给定频率)移动的单个控制点，以便在不创建太大噪声的情况下在半空触觉中产生它。但这受到两个重要的限制。第一，包含可以被方便地解释(interprete)为闭合曲线轮廓的路径的形状才可以被表示。包含开放轮廓的形状不适合于触觉表示：虽然路径可以自身向后弯曲，但这改变触觉效果。第二，如果施加单个控制点的约束(由于每个控制点要求计算，因此谨慎地少使用它们)，则仅一个轮廓可以被使用。如果一个轮廓在提供针对一个手指的反馈时是有效的而另一个轮廓针对手掌是有效的，则两者在不依赖于多个控制点的情况下无法被使用，这将分割来自给定设备的输出的容量以提供多个反馈点。这些是除了单个轮廓方法的功率限制之外的缺点。随着轮廓的长度增加，点移动的速度增加，点变得分布更稀疏，最终降低其有效的触觉响应。代替采用单个轮廓，找到与要引发触觉效果的用户部分的所有相交的集合作为线或曲线段或表面是最佳方案。但这将涉及创建许多开放曲线，并且因此牵涉分别在每个起始点和结束点多次创建和破坏该点。替代地，这将要求使用许多控制点以便针对每个相交创建单独的触觉效果，使得触觉反馈的每个区域可以保持空间锁定。例如，在手相交的特定情况下，每个手指以及潜在地还有手掌必须具有单独的触觉效果。这要求许多接触点，但是为了使每个控制点可以局部保持到接触点或相交点，现有方案要么是吵闹的(loud)(创建和破坏单个点)要么在设备功率和计算方面是昂贵的(许多点)。为了克服对多个断开路径的这种要求，采用所有相交的集合并且然后针对横穿(traverse)它们中的每个的单个最短路径进行优化则要有效得多。但是这个动作将以具有起始点和结束点的线性方式在形状上移动，在起始处创建控制点，横穿形状并将在形状的起始处重新创建控制点之前在结束处破坏该控制点。这种连续的创建和破坏尽管有所改进，但仍然与安静的系统不兼容。通过将曲线的起始和结束连接成单个闭合曲线并以适当的速度横穿它，可以以显著减少的噪声生成期望的触觉效果。此外，这并不排除当点横穿给定曲线时对点的幅度调制。该路径如图1所示。图1中示出的是手110与触觉上生成的虚拟对象120进行交互的模型100。手触摸虚拟形状的点132、134、136、138被连接成路径140，并且该路径140被致动，从而在平稳地移动焦点的同时产生感觉。在没有中断的情况下焦点沿着路径140的平稳移动使任何不想要的可听见的噪声最小化，从而在安静地操作的同时在多个手指上产生正确、强烈的触觉感觉。另外，尽管图1示出了手110，但是可以使用任何身体部分。因为曲线连接每个曲线段，所以系统确定是以预设的顺时针还是逆时针运动来横穿它们。该运动相对于法线矢量，该法矢量可以相对于用户(诸如相对于其手的几何形状的局部坐标空间)、相交或几何形状来定义。替代地，使用横穿多个曲线的点以便提供针对多于一个用户或手的反馈可以是有用的。这本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种方法，包括：从具有已知相对位置和取向的换能器阵列产生声场；定义控制点，其中，所述控制点具有相对于所述换能器阵列的已知的空间关系；向所述控制点分配幅度；通过在单个闭合曲线中移动所述控制点来针对人体部分上的虚拟对象生成半空触觉效果，其中，所述单个闭合曲线包括多个曲线段；其中，所述单个闭合曲线横穿所述人体部分与所述虚拟对象相交的至少一个位置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.03 US 62/370,522;2016.08.04 US 62/370,865;1.一种方法，包括：从具有已知相对位置和取向的换能器阵列产生声场；定义控制点，其中，所述控制点具有相对于所述换能器阵列的已知的空间关系；向所述控制点分配幅度；通过在单个闭合曲线中移动所述控制点来针对人体部分上的虚拟对象生成半空触觉效果，其中，所述单个闭合曲线包括多个曲线段；其中，所述单个闭合曲线横穿所述人体部分与所述虚拟对象相交的至少一个位置。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制点经历幅度调制。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制点在所述单个闭合曲线中的移动在所述控制点不横穿所述人体部分与所述虚拟对象相交的至少一个位置时，比在所述控制点横穿所述人体部分与所述虚拟对象相交的至少一个位置时更快。4.根据权利要求1所述的方法，其中，当控制点到达所述人体部分与所述虚拟对象相交的至少一个位置时，所述控制点避免横穿与所述虚拟对象相交的人体部分。5.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述单个闭合曲线中移动控制点之后，响应于所述虚拟对象中的变化来设计第二闭合曲线。6.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述单个闭合曲线中移动控制点之后，响应于所述人体部分的位置变化来设计第二闭合曲线。7.一种方法，包括：用户使用所述用户的手来与虚拟三维内容交互；跟踪系统监视所述用户的手；物理引擎更新所述虚拟三维内容的特性；以及半空触觉反馈系统向所述用户提供触觉信息。8.根据权利要求7所述的方法，还包括当所述用户的至少一个手接触所述虚拟三维内容时，第一触觉脉冲被施加到所述用户的至少一个手。9.根据权利要求7所述的方法，其中，第一触觉脉冲被施加在所述用户的至少一个手与所述虚拟三维内容接触的位置处。10.根据权利要求8所述的方法，还包括将所述用户的至少一个手形成为具有多个骨骼的骨架模型，并且其中，所述第一触觉脉冲被施加到接触所述虚拟三维内容的所述用户的至少一个手的多个骨骼。11.根据权利要求10所述的方法，其中，基于来自所述物理引擎的输出来调整所述第一触觉脉冲的强度和持续时间。12.根据权利要求10所述的方法，其中，基于来自所述物理引擎的输出来调整所述第一触觉脉冲...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯·安德鲁·卡特，亚当·丹尼尔·哈伍德，本杰明·约翰·奥利弗·朗，菲利普·琼斯，
申请(专利权)人：超级触觉资讯处理有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB