虛擬城市環(huán)境下導航信息的觸覺表達技術研究.pdf

1、當今社會生活中人們的遷移活動越來越頻繁，經常遇到的一個難題是如何在陌生的城市環(huán)境中導航。常用的導航裝置大多經由視覺或聽覺通道傳遞信息，但它們容易受到環(huán)境因素限制，或者被其他重要的任務所占據。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航信息有助于增強使用者的沉浸感，幫助使用者導航。本文以教育部高等學校博士學科點專項科研基金項目為

2、依托，從技術手段、編碼方法和性能評估等方面，對虛擬城市環(huán)境下導航信息的觸覺表達技術中的一些關鍵問題進行研究。
　　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與那些降低使用者導航表現的額外信息隔離開來。基于VC/OpenGL程序框架設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航信息。城市模型由Google SketchUp軟件構建，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，導航時跟隨預先設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。依靠這些導航信息，參與者可在多種觸覺形式的刺激下實現在陌生城市環(huán)境中導航。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航信息。詳細分析

4、了它們的參數種類，篩選出適合信息編碼的參數。根據導航消息的種類，在每個參數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，并基于半無限大體積模型推導出受刺激時皮膚內的熱響應曲線。針對觸覺導航訓練系統(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航信息是成

5、功的。
　　提出一種基于虛擬環(huán)境的多觸覺導航訓練系統(tǒng)總體方案，借助背包、腰帶和臂帶等配件進行可穿戴設計。介紹了多觸覺導航訓練系統(tǒng)的硬件設計，分析了導航信息獲取模塊、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系。對多觸覺表達裝置的可穿戴效果進行具體實現，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。開展了多觸覺導航訓練系統(tǒng)的軟件設計，包括多觸覺表達裝置的驅動程序和觸

6、覺訓練軟件。驅動程序分別從RT-thread移植、導航信息采集程序、導航信息解碼程序和線程同步等方面展開設計，實現了對多維導航信息的實時獲取、解碼，以及多觸覺表達功能。觸覺訓練軟件提供訓練和評估兩大功能，為心理學實驗搭建一個測試平臺。
　　介紹了復合式觸覺圖標的設計原理，根據城市導航信息的種類依次開展對三參數復合式振動觸覺、四參數復合式溫度+振動觸覺圖標的設計和識別研究。第一個實驗表明三參數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)現四參數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;第三個實驗是在構建的簡單城市環(huán)境中評估這兩種觸覺表達模式的導航效能。從實驗結果看，在三參數振動觸覺圖標中識別三維導航信息是非常容易的，為參與者順序地呈現四種不同的觸覺刺激方式似乎沒有造成混亂。盡管四參數復合式圖標的平均識別率稍低，但在虛擬場景中導航時，參與者的表現要顯著優(yōu)于三參數觸覺圖標。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。說明了設計的復合式觸覺圖標傳遞多維導航信息是可行的，具有與聽覺圖標和轉換式圖標可比擬的效果。
　　分析了轉換式觸覺圖標的設計原理，依次開展對四參數的四振動、一溫度三振動和二溫度二振動轉換式觸覺圖標的設計和識別研究，并使用它們在虛擬城市環(huán)境中幫助參與者導航。第五

9、個實驗表明四振動轉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。實驗結果表明，轉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。因為從這些四參數的轉換式觸覺圖標中識別四維導航信息相對容易，為參與者同時提供四種不同的觸