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研究生:葉家瑀
研究生(外文):Chia Yu Yeh
論文名稱:具力回饋與變形功能之互動式虛擬實境系統開發
論文名稱(外文):Development of Interactive Virtual Environments with Haptic and Deformation Capabilities
指導教授:張永華張永華引用關係
指導教授(外文):Y. H. Chang
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:電機工程學研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
論文頁數:106
中文關鍵詞:虛擬實境變形觸覺回饋
外文關鍵詞:virtual realitydeformationhaptic feedback
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本論文旨在建構一個兼具力回饋與變形顯示的虛擬實境系統,相關軟體開發與系統整合是採用物件導向程式設計概念。主要設計功能包含OpenGL與力回饋兩個模組;其中,OpenGL模組負責影像顯示及變形處理,力回饋模組負責軟硬體之間的溝通以及力量回饋的計算。三維影像資料須經由Amira軟體進行前處理,分別產生四面體網格與容積影像資料;其中,四面體網格供OpenGL模組作變形處理,容積影像資料供力回饋模組作力量的計算所用。變形處理包含四個部份,首先是由網格資料進行碰撞偵測,偵測到發生碰撞時,執行變形模型與力傳播模型,而未發生碰撞時則執行變形回復模型。力回饋計算部份,先進行容積資料的碰撞偵測,再經由力回饋模型計算出相對之反饋力。藉由本文所設計的虛擬實境系統,除能載入自行建立基本幾何圖形與仿生器官等模型,另可提供觸覺感知及即時變形顯示的功能。
This thesis mainly develops a virtual reality system with haptic deformation. Software development and system integration is based on an object-oriented programming, where the OpenGL and haptic modules are designed. OpenGL module includes the functions of display and deformation processing, while the haptic module deals with the software-hardware communication and the computation of force feedback. To generate tetrahedral grids and volume image data, 3D image data requires a pre-processing is proceeded by Amira®. The tetrahedral grids are utilized to perform the deformation processing, and the volume data are applied for the haptic computation. First the deformation process, collision detection is executed from the grid data. If collision occurs, both deformation and force propagation modules are performed. On the contrary, if collision does not happen, the deformation restoring module is executed. Regarding to the computation of force feedback, collision detection is performed in the beginning, and then the feedback force can be obtained by haptic module. Based on the proposed virtual reality system, fundamental geometric objects and biomimetic organ models can be loaded and processed, and the haptic rendering and real-time deformation can be provided.
目錄

誌謝 v
摘要 vi
ABSTRACT vii
目錄 viii
圖目錄 xi
1. 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 內容大綱 3
2. 虛擬實境技術簡介 4
2.1 虛擬實境硬體介紹 4
2.2 虛擬實境軟體 12
2.3 碰撞偵測簡介 15
2.4 變形模型簡介 20
3. 系統開發架構 26
3.1 系統架構介紹 26
3.2 力回饋PHANTOM Omni設備簡介 27
3.3 HDAPI 介紹 28
3.4 OpenGL介紹 30
4. 研究方法 33
4.1 研究流程 33
4.2 前處理 34
4.3 視覺端部分 41
4.4 碰撞計算 42
4.5 碰撞偵測 43
4.6 計算碰撞點 49
4.7 變型模型 52
4.8 力傳播模型 56
4.9 變形回復模型 60
4.10 力回饋端 62
5. 實驗方法與結果 65
5.1 單一步階侵入距離 65
5.2 階梯式侵入距離 72
5.3 基本物體變形 75
5.4 仿器官之物體變形 77
5.5 整合力回饋設備之球體變形實驗 82
6. 結論與建議 86
6.1 結論 86
6.2 建議 87
參考文獻 88

圖目錄

圖2.1 立體顯示器[7] 5
圖2.2 頭戴式顯示器[7] 5
圖2.3 大型沉浸式顯示器[7] 5
圖2.4 機械式追蹤器示意圖 6
圖2.5 InertiaCube3慣性追蹤器[7] 7
圖2.6 Fastrak電磁式追蹤器[7] 7
圖2.7 超音波追蹤器示意圖 8
圖2.8 LaserBIRD 光學式追蹤器[7] 9
圖2.9 溫感式觸覺回饋設計示意圖 9
圖2.10 氣壓式觸覺回饋示意圖 10
圖2.11 Immersion公司的CyberTouch震動式觸覺回饋裝置[7] 10
圖2.12 Immersion公司的CyberForce力感回饋裝置[7] 11
圖2.13 Virtuose的力感回饋設備[7] 11
圖2.14 使用球近似物體結果[19] 17
圖2.15 使用中間軸球樹近似物體結果[20] 18
圖2.16 邊界盒子的二維示意圖[23] 19
圖2.17 FFD變形示意圖[33]:(a)變形前、(b)變形後 22
圖2.18 質量彈簧模型圖 22
圖2.19 LEM元素模型圖 25
圖3.1 系統架構圖 27
圖3.2 PHANTOM Omni實體圖 28
圖3.3 HDAPI典型流程圖 30
圖3.4 物體模擬與顯示流程 31
圖3.5 3D圖形轉換處理流程圖 32
圖4.1 研究流程圖 34
圖4.2 多邊形成像示意圖 35
圖4.3 容積成像示意圖 36
圖4.4 單一四面體網格 37
圖4.5 使用3ds-Max產生之長方體 37
圖4.6 使用Amira®產生之四面體網格之線架構圖 38
圖4.7 軀幹側面原始CT圖像 38
圖4.8 軀幹產生四面體網格線架構 39
圖4.9 Amira®產生四面體之資料格式 40
圖4.10 記錄頂點位置與連線方式等資料之資料結構 41
圖4.11 視覺端流程圖 42
圖4.12 四分樹的區塊分割圖 45
圖4.13 相對於圖4.12之四分樹樹狀結構 45
圖4.14 八分樹建構流程圖 46
圖4.15 查詢八分樹流程圖 48
圖4.16 八分樹之資料結構 48
圖4.17 空間中的平面與線段 50
圖4.18 線與三角面的關係 51
圖4.19 三種描述黏彈特性的機械模型 53
圖4.20 三種機械模型的伸展、壓縮關係式 54
圖4.21 受力與放鬆的時間圖 55
圖4.22 網格連線示意圖 57
圖4.23 橫向優先搜尋演算法處理步驟 58
圖4.24 力傳播模型流程圖 59
圖4.25 物體受力變化情形 60
圖4.26 力回饋端流程圖 63
圖4.27 碰撞點的計算示意圖 64
圖5.1 侵入距離相對變形位移的時間響應(k=1 、b=1 ) 66
圖5.2 平板變形過程連拍(k=1 、b=1 ) 67
圖5.3 變形回復過程連拍(k=1 、b=1 ) 68
圖5.4 侵入距離相對變形位移的時間響應(k=1 、b=0.5 ) 69
圖5.5 平板變形過程連拍(k=1 、b=0.5 ) 71
圖5.6 變形回復過程連拍(k=1 、b=0.5 ) 72
圖5.7 階梯式侵入距離相對變形位移的時間響應(k=1 、b=1 ) 73
圖5.8 階梯式輸入變形過程連拍圖(k=1 ,b=1 ) 74
圖5.9 階梯式輸入變形回復過程連拍圖(k=1 ,b=1 ) 75
圖5.10圓球變形過程連拍(k=1 、b=1 ) 76
圖5.11 圓球變形回復過程連拍(k=1 、b=1 ) 77
圖5.12 仿肝器官變形實驗 79
圖5.13 軀幹器官變形實驗 81
圖5.14 整合力回饋設備之實際操作圖 83
圖5.15 力回饋整合實驗結果 84
參考文獻
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