虛擬城市環(huán)境下導(dǎo)航信息的觸覺表達技術(shù)研究.pdf

1、當今社會生活中人們的遷移活動越來越頻繁，經(jīng)常遇到的一個難題是如何在陌生的城市環(huán)境中導(dǎo)航。常用的導(dǎo)航裝置大多經(jīng)由視覺或聽覺通道傳遞信息，但它們?nèi)菀资艿江h(huán)境因素限制，或者被其他重要的任務(wù)所占據(jù)。由于觸覺表達適用于普遍存在的環(huán)境，理解它提供的信息幾乎不需要認知資源，能夠為其他任務(wù)釋放必需的認知資源，因此在視野受限的虛擬城市環(huán)境下，通過觸覺通道提供導(dǎo)航信息有助于增強使用者的沉浸感，幫助使用者導(dǎo)航。本文以教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目為

2、依托，從技術(shù)手段、編碼方法和性能評估等方面，對虛擬城市環(huán)境下導(dǎo)航信息的觸覺表達技術(shù)中的一些關(guān)鍵問題進行研究。
　　真實環(huán)境中大量的空間信息和長時間尺度的導(dǎo)航都會對使用者的認知分析施加很大影響，但虛擬環(huán)境能夠把觸覺表達技術(shù)與那些降低使用者導(dǎo)航表現(xiàn)的額外信息隔離開來?；赩C/OpenGL程序框架設(shè)計了一款三維虛擬城市仿真系統(tǒng)，為漫游者提供實時的空間導(dǎo)航信息。城市模型由Google SketchUp軟件構(gòu)建，并在3ds Max軟件中重

3、新貼圖，再載入到OpenGL程序框架中顯示。使用者在虛擬場景中使用第一或第三視角漫游，導(dǎo)航時跟隨預(yù)先設(shè)定的路徑點從起點遍歷到路線的終點。系統(tǒng)提供的幾種導(dǎo)航消息包括行進方向、相對距離、路口類型和路線屬性。依靠這些導(dǎo)航信息，參與者可在多種觸覺形式的刺激下實現(xiàn)在陌生城市環(huán)境中導(dǎo)航。仿真系統(tǒng)一并提供的還有定點鳥瞰圖、漫游計時和運動路線顯示與保存等功能。
　　根據(jù)人體皮膚的觸覺感知機理，選擇振動和溫度兩種觸覺方式來映射多維導(dǎo)航信息。詳細分析

4、了它們的參數(shù)種類，篩選出適合信息編碼的參數(shù)。根據(jù)導(dǎo)航消息的種類，在每個參數(shù)中劃分出在感覺上顯著不同的兩個或多個水平。振動觸覺反饋由圓柱式振動電機提供，從理論上探索了它在皮膚上激活時的振動波傳播;熱觸覺顯示由典型的珀爾帖單元呈現(xiàn)，并基于半無限大體積模型推導(dǎo)出受刺激時皮膚內(nèi)的熱響應(yīng)曲線。針對觸覺導(dǎo)航訓(xùn)練系統(tǒng)，選擇了最普遍接受的Wickens的多資源理論、Prenav和Chorems理論，更好地解釋了為什么使用觸覺通道為穿戴者表達導(dǎo)航信息是成

5、功的。
　　提出一種基于虛擬環(huán)境的多觸覺導(dǎo)航訓(xùn)練系統(tǒng)總體方案，借助背包、腰帶和臂帶等配件進行可穿戴設(shè)計。介紹了多觸覺導(dǎo)航訓(xùn)練系統(tǒng)的硬件設(shè)計，分析了導(dǎo)航信息獲取模塊、核心處理模塊、振動觸覺反饋模塊和熱觸覺顯示模塊的元器件選型、組成原理以及各模塊的電氣連接關(guān)系。對多觸覺表達裝置的可穿戴效果進行具體實現(xiàn)，成功地穿戴于人體的腰部、上臂等部位，達到系統(tǒng)便攜性和移動性的要求。開展了多觸覺導(dǎo)航訓(xùn)練系統(tǒng)的軟件設(shè)計，包括多觸覺表達裝置的驅(qū)動程序和觸

6、覺訓(xùn)練軟件。驅(qū)動程序分別從RT-thread移植、導(dǎo)航信息采集程序、導(dǎo)航信息解碼程序和線程同步等方面展開設(shè)計，實現(xiàn)了對多維導(dǎo)航信息的實時獲取、解碼，以及多觸覺表達功能。觸覺訓(xùn)練軟件提供訓(xùn)練和評估兩大功能，為心理學(xué)實驗搭建一個測試平臺。
　　介紹了復(fù)合式觸覺圖標的設(shè)計原理，根據(jù)城市導(dǎo)航信息的種類依次開展對三參數(shù)復(fù)合式振動觸覺、四參數(shù)復(fù)合式溫度+振動觸覺圖標的設(shè)計和識別研究。第一個實驗表明三參數(shù)觸覺圖標的平均識別率高達95.47％，在

7、所有的24種圖標中人們能夠正確地識別19.70種;第二個實驗發(fā)現(xiàn)四參數(shù)觸覺圖標的平均識別率略有降低，但在32種圖標中也能夠可靠地識別出24.42種;第三個實驗是在構(gòu)建的簡單城市環(huán)境中評估這兩種觸覺表達模式的導(dǎo)航效能。從實驗結(jié)果看，在三參數(shù)振動觸覺圖標中識別三維導(dǎo)航信息是非常容易的，為參與者順序地呈現(xiàn)四種不同的觸覺刺激方式似乎沒有造成混亂。盡管四參數(shù)復(fù)合式圖標的平均識別率稍低，但在虛擬場景中導(dǎo)航時，參與者的表現(xiàn)要顯著優(yōu)于三參數(shù)觸覺圖標。第

8、四個實驗是把行進方向的水平擴展到8個，觸覺圖標種類也相應(yīng)增加到64種，但這些圖標的平均識別率并沒有顯著降低，仍然有91.86％，人們能夠可靠識別的圖標種類增加到45.52種。說明了設(shè)計的復(fù)合式觸覺圖標傳遞多維導(dǎo)航信息是可行的，具有與聽覺圖標和轉(zhuǎn)換式圖標可比擬的效果。
　　分析了轉(zhuǎn)換式觸覺圖標的設(shè)計原理，依次開展對四參數(shù)的四振動、一溫度三振動和二溫度二振動轉(zhuǎn)換式觸覺圖標的設(shè)計和識別研究，并使用它們在虛擬城市環(huán)境中幫助參與者導(dǎo)航。第五

9、個實驗表明四振動轉(zhuǎn)換式觸覺圖標的平均識別率為74.77％，在所有的64種圖標中大約能夠正確識別31種;第六個實驗中一溫度三振動圖標的平均識別率為85.01％，有34～35種圖標能夠可靠地識別;第七個實驗中二溫度二振動圖標的平均識別率為78.20％，能夠可靠識別的圖標僅為28～29種。實驗結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換式觸覺圖標的平均識別率和信息傳輸能力基本滿足要求。因為從這些四參數(shù)的轉(zhuǎn)換式觸覺圖標中識別四維導(dǎo)航信息相對容易，為參與者同時提供四種不同的觸