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

1、當(dāng)今社會(huì)生活中人們的遷移活動(dòng)越來(lái)越頻繁，經(jīng)常遇到的一個(gè)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(jué)或聽(tīng)覺(jué)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(jué)表達(dá)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(rèn)知資源，能夠?yàn)槠渌蝿?wù)釋放必需的認(rèn)知資源，因此在視野受限的虛擬城市環(huán)境下，通過(guò)觸覺(jué)通道提供導(dǎo)航信息有助于增強(qiáng)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(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目為

2、依托，從技術(shù)手段、編碼方法和性能評(píng)估等方面，對(duì)虛擬城市環(huán)境下導(dǎo)航信息的觸覺(jué)表達(dá)技術(shù)中的一些關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究。
　　真實(shí)環(huán)境中大量的空間信息和長(zhǎng)時(shí)間尺度的導(dǎo)航都會(huì)對(duì)使用者的認(rèn)知分析施加很大影響，但虛擬環(huán)境能夠把觸覺(jué)表達(dá)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(kāi)來(lái)?；赩C/OpenGL程序框架設(shè)計(jì)了一款三維虛擬城市仿真系統(tǒng)，為漫游者提供實(shí)時(shí)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(chǎng)景中使用第一或第三視角漫游，導(dǎo)航時(shí)跟隨預(yù)先設(shè)定的路徑點(diǎn)從起點(diǎn)遍歷到路線的終點(diǎn)。系統(tǒng)提供的幾種導(dǎo)航消息包括行進(jìn)方向、相對(duì)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(jué)形式的刺激下實(shí)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(diǎn)鳥(niǎo)瞰圖、漫游計(jì)時(shí)和運(yùn)動(dòng)路線顯示與保存等功能。
　　根據(jù)人體皮膚的觸覺(jué)感知機(jī)理，選擇振動(dòng)和溫度兩種觸覺(jué)方式來(lái)映射多維導(dǎo)航信息。詳細(xì)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(gè)參數(shù)中劃分出在感覺(jué)上顯著不同的兩個(gè)或多個(gè)水平。振動(dòng)觸覺(jué)反饋由圓柱式振動(dòng)電機(jī)提供，從理論上探索了它在皮膚上激活時(shí)的振動(dòng)波傳播;熱觸覺(jué)顯示由典型的珀?duì)柼麊卧尸F(xiàn)，并基于半無(wú)限大體積模型推導(dǎo)出受刺激時(shí)皮膚內(nèi)的熱響應(yīng)曲線。針對(duì)觸覺(jué)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(jué)通道為穿戴者表達(dá)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(jué)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(jìn)行可穿戴設(shè)計(jì)。介紹了多觸覺(jué)導(dǎo)航訓(xùn)練系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，分析了導(dǎo)航信息獲取模塊、核心處理模塊、振動(dòng)觸覺(jué)反饋模塊和熱觸覺(jué)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(duì)多觸覺(jué)表達(dá)裝置的可穿戴效果進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)，成功地穿戴于人體的腰部、上臂等部位，達(dá)到系統(tǒng)便攜性和移動(dòng)性的要求。開(kāi)展了多觸覺(jué)導(dǎo)航訓(xùn)練系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，包括多觸覺(jué)表達(dá)裝置的驅(qū)動(dòng)程序和觸

6、覺(jué)訓(xùn)練軟件。驅(qū)動(dòng)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(kāi)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多維導(dǎo)航信息的實(shí)時(shí)獲取、解碼，以及多觸覺(jué)表達(dá)功能。觸覺(jué)訓(xùn)練軟件提供訓(xùn)練和評(píng)估兩大功能，為心理學(xué)實(shí)驗(yàn)搭建一個(gè)測(cè)試平臺(tái)。
　　介紹了復(fù)合式觸覺(jué)圖標(biāo)的設(shè)計(jì)原理，根據(jù)城市導(dǎo)航信息的種類依次開(kāi)展對(duì)三參數(shù)復(fù)合式振動(dòng)觸覺(jué)、四參數(shù)復(fù)合式溫度+振動(dòng)觸覺(jué)圖標(biāo)的設(shè)計(jì)和識(shí)別研究。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)表明三參數(shù)觸覺(jué)圖標(biāo)的平均識(shí)別率高達(dá)95.47％，在

7、所有的24種圖標(biāo)中人們能夠正確地識(shí)別19.70種;第二個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)四參數(shù)觸覺(jué)圖標(biāo)的平均識(shí)別率略有降低，但在32種圖標(biāo)中也能夠可靠地識(shí)別出24.42種;第三個(gè)實(shí)驗(yàn)是在構(gòu)建的簡(jiǎn)單城市環(huán)境中評(píng)估這兩種觸覺(jué)表達(dá)模式的導(dǎo)航效能。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，在三參數(shù)振動(dòng)觸覺(jué)圖標(biāo)中識(shí)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(jué)刺激方式似乎沒(méi)有造成混亂。盡管四參數(shù)復(fù)合式圖標(biāo)的平均識(shí)別率稍低，但在虛擬場(chǎng)景中導(dǎo)航時(shí)，參與者的表現(xiàn)要顯著優(yōu)于三參數(shù)觸覺(jué)圖標(biāo)。第

8、四個(gè)實(shí)驗(yàn)是把行進(jìn)方向的水平擴(kuò)展到8個(gè)，觸覺(jué)圖標(biāo)種類也相應(yīng)增加到64種，但這些圖標(biāo)的平均識(shí)別率并沒(méi)有顯著降低，仍然有91.86％，人們能夠可靠識(shí)別的圖標(biāo)種類增加到45.52種。說(shuō)明了設(shè)計(jì)的復(fù)合式觸覺(jué)圖標(biāo)傳遞多維導(dǎo)航信息是可行的，具有與聽(tīng)覺(jué)圖標(biāo)和轉(zhuǎn)換式圖標(biāo)可比擬的效果。
　　分析了轉(zhuǎn)換式觸覺(jué)圖標(biāo)的設(shè)計(jì)原理，依次開(kāi)展對(duì)四參數(shù)的四振動(dòng)、一溫度三振動(dòng)和二溫度二振動(dòng)轉(zhuǎn)換式觸覺(jué)圖標(biāo)的設(shè)計(jì)和識(shí)別研究，并使用它們?cè)谔摂M城市環(huán)境中幫助參與者導(dǎo)航。第五

9、個(gè)實(shí)驗(yàn)表明四振動(dòng)轉(zhuǎn)換式觸覺(jué)圖標(biāo)的平均識(shí)別率為74.77％，在所有的64種圖標(biāo)中大約能夠正確識(shí)別31種;第六個(gè)實(shí)驗(yàn)中一溫度三振動(dòng)圖標(biāo)的平均識(shí)別率為85.01％，有34～35種圖標(biāo)能夠可靠地識(shí)別;第七個(gè)實(shí)驗(yàn)中二溫度二振動(dòng)圖標(biāo)的平均識(shí)別率為78.20％，能夠可靠識(shí)別的圖標(biāo)僅為28～29種。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換式觸覺(jué)圖標(biāo)的平均識(shí)別率和信息傳輸能力基本滿足要求。因?yàn)閺倪@些四參數(shù)的轉(zhuǎn)換式觸覺(jué)圖標(biāo)中識(shí)別四維導(dǎo)航信息相對(duì)容易，為參與者同時(shí)提供四種不同的觸