一种基于虚拟现实的触觉模拟系统及方法

技术领域

本发明涉及人机交互技术领域，更具体的是涉及一种基于虚拟现实的触觉模拟系统及方法技术领域。

背景技术

触觉是皮肤触觉感受器接触机械刺激产生的感觉。皮肤表面散布着触点，触点的大小不尽相同，分布不规则，一般情况下指腹最多，其次是头部，背部和小腿最少，所以指腹的触觉最灵敏，而小腿和背部的触觉则比较迟钝。若用纤细的毛轻触皮肤表面时，只有当某些特殊的点被触及时，才能引起触觉。皮肤深层存在触觉小体，椎体里存在敏感的神经细胞，当神经细胞感受到触摸带来的压迫，就会马上发出一个微小的电流信号，电流信号就会随神经纤维到达大脑，这样就能感受到这次触摸，大脑可以马上分辨出触摸的程度以及信号的位置。

元宇宙本质上是对现实世界的虚拟化、数字化过程，需要对内容生产、经济系统、用户体验以及实体世界内容等进行大量改造。元宇宙的不断发展，离不开基于交互式终端实现的、更具真实感的元宇宙智能设备。

本发明提供了一种设备，借助于现有的、未来不断发展的触觉编码技术，可以应用于元宇宙场景的触觉输出。用户借助元宇宙技术进行游戏、学习、社交、经营等活动时，可借助本设备实现各种场景下的触觉效果模拟体验，从而有更强烈的获得感与代入感。

目前为止，触觉模拟设备的相关研究尚处于起步阶段，且有一定的局限性，无法满足元宇宙对智能触觉模拟设备的需求，为此，我们提出一种可以模拟触觉的元宇宙系统，切实满足用户需求。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决现有触觉模拟设备有一定的局限性，无法满足元宇宙对智能触觉模拟设备需求的技术问题，本发明提供一种基于虚拟现实的触觉模拟系统及方法，通过模拟触觉，提升人机交互体验，促进元宇宙发展。

本发明采用的技术方案如下：一种基于虚拟现实的触觉模拟方法，包括如下步骤：

获取虚拟现实场景，生成与所述虚拟现实场景相匹配的触觉信息；

将所述虚拟现实场景和所述触觉信息汇集成数据流发送给虚拟现实设备。

所述获取虚拟现实场景，生成与所述虚拟现实场景相匹配的触觉信息的步骤包括：

通过数据采集模块采集现实环境中的触觉，根据所述触觉构建与所述现实环境相对应的虚拟现实场景；

根据所述虚拟现实场景，生成与所述虚拟现实场景相匹配的触觉信息，并存储到存储单元中。

包括以下具体步骤：

S1、获取现实世界触觉信息；

S2、将信息传输至主机进行批处理；

S3、将处理信息与触觉编码信息进行匹配；

S4、若匹配，生成对应的模拟信号；

S5、若不匹配，更新元宇宙编码内容，并生成对应模拟信号；

S6、根据模拟信号，触觉解译装置进行触觉编码解译；

S7、根据解译信息，触觉解译装置调取对应的硬度、温度、湿度、光滑度处理信息；

S8、根据对应处理信号，获取触觉模拟信息；

S9、根据触觉模拟信息，对触觉模拟装置，产生对应控制信号；

S10、根据控制信号，控制模拟元件的形状、大小、温度、湿度、振动相应变化，使用户获得不一样的触觉模拟感受。

一种基于虚拟现实的触觉模拟系统，包括：

采集单元：用于获取虚拟现实场景，生成与所述虚拟现实场景相匹配的触觉信息；

执行单元：用于将所述虚拟现实场景和所述触觉信息汇集成数据流发送给虚拟现实设备。

所述虚拟现实设备包括主机、触觉解译装置和触觉模拟装置，所述主机由电源单元、主控单元、存储单元与通信单元组成，用于传输、整理现实世界触觉数据；主控单元集成CPU、GPU等异构系统和混合云架构，具备高效渲染、负载均衡的算力能力；电源单元采用UPS（不间断电源系统）。存储单元采用超融合和分布式存储、软件定义存储等技术。通信单元使用包括5G 移动通信、千兆光纤网络等技术，与存储单元之间交换信息，实时更新，有效拓展；

所述触觉解译装置包括硬度、温度、湿度、光滑度处理元件，获取不同材质触觉的编码数据后，通过硬度、温度、湿度、光滑度处理元件解译，转换为电信号，输入至触觉模拟装置；触觉解译装置是将元宇宙空间中各类物体触觉，从硬度、温度、湿度与光滑度四个方面转化为电信号；

所述触觉模拟装置包括微型模拟元件与控制系统，接收电信号后，控制模拟元件变形、加热、加湿、振动反应，模拟材质表面质感，为用户还原真实触感；其中，微型模拟元件包括多个信号处理模块，依次交替排列的变温片、变形片、加湿片、振动片、外壳及电源电线。触觉模拟装置通过接收来自传感器的电信号，控制微型突起元件变化，并传递给用户皮肤尤其是触觉敏感的双手。包括触觉模型构建、模型流转、模型互操作、模型验证。

所述电源单元，用于为整个触觉模拟系统供电保证运行，采用不间断电源系统；

主控单元，用于对所述触觉数据进行查找与验证，在验证通过后，根据上传触觉数据类别及不同类别数据量调整属性设定，其中，所述触觉数据携带认证令牌，通过认证服务器提前配置；

存储单元，用于存储触觉编码数据，进行初步比对，其中，所述比对过程未通过的，返回信息至主控单元并更新数据；

通信单元，用于不同单元及主机与其他装置之间的通信连接，其中，所述连接包括电信号、光信号及声信号。

所述主机与触觉解译装置之间，完成了对触感数据的编码解码过程；其中，所述主机通过传输模块，不仅接收所有材料表面质感信息，还通过已有触觉编码数据，对信息归类整理；

所述触觉编码数据，不仅包括现在技术范围涵盖，还包括以此为基础的各种衍生技术，包括智能感知技术、先进计算技术、网络通信技术、共性平台技术，这些技术以物联网、云计算、大数据、人工智能为基础，依靠AR、VR、GIS、数字孪生技术的发展赋能；其中，所述触觉编码数据，在存储单元中完成匹配，同时根据相应编码生成现实世界并不存在的触感，反馈至存储单元对其更新。

所述触觉解译装置接收编码信息之后，协调模数，统一标准接口，完成相应的触觉编码解译工作；其中，所述触觉解译装置与主机之间，有一显示屏，负责监测主机工作情况及其他未尽事项；另外，硬度、温度、湿度、光滑度处理元件接受编码解码工作成果，对触觉不同方面分别展开处理，传递信息至触觉模拟装置。

所述微型模拟元件接收触觉解译装置传递过来的信号，并完成对其内变形组件的控制；其中，所述触觉模拟装置与触觉解译装置之间，有一显示屏，负责模拟此时信号还原材质类别，用于监测还原可靠度与真实性及其他未尽事项。

所述微型模拟元件依次交替排列有变形组件，所述变形组件各自负责包括但不限于变形、加热、加湿、振动的不同变形，其中，与变形组件成对出现的信号处理模块，感受电信号带来的微小形变，增强信号并如实传递给变形组件，强化、真实化变形。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明能够模拟用户在元宇宙中所触所感，通过逼真还原环境物体表面触感，模拟出与现实世界类似的真实场景，给用户带来良好的元宇宙体验，美妙的身心享受。通过显示屏的设置，让用户了解设备工作状态；通过触觉解译装置，分别分析元宇宙环境中物体表面触感数据，并将其转化为电信号；通过微型突起元件的变化，感受物体表面触感，仿佛置身元宇宙构建的虚拟世界之中，带来前所未有的沉浸式体验。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明的一终端示意图；

图中标记为：1-基本外壳，2-手套手掌部分，3-手背传感芯片，4-手掌手腕部分，5-传感电线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和出示的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明利用元宇宙技术，将现实世界中的各类材料材质投射到元宇宙空间之中。以这种投射为基础，基于主机，对物体表面材质进行归类，并基于已有的或正在不断发展的触觉编码系统，在元宇宙中重现现实世界中对应材质触感。

本发明以对各类触觉的编码、解译及作用于人的感觉为三大特点，利用了既往相关触觉编码系统研究成果，为在元宇宙中真实再现现实世界提供了一种触觉模拟系统，为元宇宙技术的发展与应用、人机交互智能设备的发展与应用提供了重要参考。

实施例1

如图1-2所示，本实施例提供一种基于虚拟现实的触觉模拟方法，包括如下步骤：

S1、获取现实世界触觉信息；

S2、将信息传输至主机进行批处理；

S3、将处理信息与触觉编码信息进行匹配；

S4、若匹配，生成对应的模拟信号；

S5、若不匹配，更新元宇宙编码内容，并生成对应模拟信号；

S6、根据模拟信号，触觉解译装置进行触觉编码解译；

S7、根据解译信息，触觉解译装置调取对应的硬度、温度、湿度、光滑度处理信息；

S8、根据对应处理信号，获取触觉模拟信息；

S9、根据触觉模拟信息，对触觉模拟装置，产生对应控制信号；

S10、根据控制信号，控制模拟元件的形状、大小、温度、湿度、振动相应变化，使用户获得不一样的触觉模拟感受。

实施例2

一种基于虚拟现实的触觉模拟系统，包括：

采集单元：用于获取虚拟现实场景，生成与所述虚拟现实场景相匹配的触觉信息；

执行单元：用于将所述虚拟现实场景和所述触觉信息汇集成数据流发送给虚拟现实设备。

所述虚拟现实设备包括主机、触觉解译装置和触觉模拟装置，所述主机由电源单元、主控单元、存储单元与通信单元组成，用于传输、整理现实世界触觉数据；主控单元集成CPU、GPU等异构系统和混合云架构，具备高效渲染、负载均衡的算力能力；电源单元采用UPS（不间断电源系统）。存储单元采用超融合和分布式存储、软件定义存储等技术。通信单元使用包括5G 移动通信、千兆光纤网络等技术，与存储单元之间交换信息，实时更新，有效拓展；

所述触觉解译装置包括硬度、温度、湿度、光滑度处理元件，获取不同材质触觉的编码数据后，通过硬度、温度、湿度、光滑度处理元件解译，转换为电信号，输入至触觉模拟装置；触觉解译装置是将元宇宙空间中各类物体触觉，从硬度、温度、湿度与光滑度四个方面转化为电信号；

所述触觉模拟装置包括微型模拟元件与控制系统，接收电信号后，控制模拟元件变形、加热、加湿、振动反应，模拟材质表面质感，为用户还原真实触感；其中，微型模拟元件包括多个信号处理模块，依次交替排列的变温片、变形片、加湿片、振动片、外壳及电源电线。触觉模拟装置通过接收来自传感器的电信号，控制微型突起元件变化，并传递给用户皮肤尤其是触觉敏感的双手。包括触觉模型构建、模型流转、模型互操作、模型验证。

所述电源单元，用于为整个触觉模拟系统供电保证运行，采用不间断电源系统；

主控单元，用于对所述触觉数据进行查找与验证，在验证通过后，根据上传触觉数据类别及不同类别数据量调整属性设定，其中，所述触觉数据携带认证令牌，通过认证服务器提前配置；

存储单元，用于存储触觉编码数据，进行初步比对，其中，所述比对过程未通过的，返回信息至主控单元并更新数据；

通信单元，用于不同单元及主机与其他装置之间的通信连接，其中，所述连接包括电信号、光信号及声信号。

所述主机与触觉解译装置之间，完成了对触感数据的编码解码过程；其中，所述主机通过传输模块，不仅接收所有材料表面质感信息，还通过已有触觉编码数据，对信息归类整理；

所述触觉编码数据，不仅包括现在技术范围涵盖，还包括以此为基础的各种衍生技术，包括智能感知技术、先进计算技术、网络通信技术、共性平台技术，这些技术以物联网、云计算、大数据、人工智能为基础，依靠AR、VR、GIS、数字孪生技术的发展赋能；其中，所述触觉编码数据，在存储单元中完成匹配，同时根据相应编码生成现实世界并不存在的触感，反馈至存储单元对其更新。

所述触觉解译装置接收编码信息之后，协调模数，统一标准接口，完成相应的触觉编码解译工作；其中，所述触觉解译装置与主机之间，有一显示屏，负责监测主机工作情况及其他未尽事项；另外，硬度、温度、湿度、光滑度处理元件接受编码解码工作成果，对触觉不同方面分别展开处理，传递信息至触觉模拟装置。

所述微型模拟元件接收触觉解译装置传递过来的信号，并完成对其内变形组件的控制；其中，所述触觉模拟装置与触觉解译装置之间，有一显示屏，负责模拟此时信号还原材质类别，用于监测还原可靠度与真实性及其他未尽事项。

所述微型模拟元件依次交替排列有变形组件，所述变形组件各自负责包括但不限于变形、加热、加湿、振动的不同变形，其中，与变形组件成对出现的信号处理模块，感受电信号带来的微小形变，增强信号并如实传递给变形组件，强化、真实化变形。

本发明的工作原理为：现实世界触觉数据，通过三维激光扫描、无人机倾斜摄影等技术采样，通过射频识别（RFID）、红外感应器、摄像头等信息传感设备，输入元宇宙主机，其中，摄像头包括，鹰眼摄像机、球形摄像机、枪式摄像机等。采用有限元、有限体积、热平衡方程等计算分析能力，对触觉信息进行仿真模拟，降低后续模拟损失，实现触觉模拟全流程全要素可感知、可分析、可呈现及可优化。主机与触觉解译装置之间，有一LED显示屏，负责显示不同元件之间的通信情况。主机使用哈希运算为触觉数据（H）计算摘要值（H（M））并使用加密机制加密（E

实施例3

在实施例2的基础上，基于触觉编码、解码过程的触觉解译装置包括：对人体尤其是皮肤触觉的归纳与分类、对不同触觉种类的编码、对触觉种类编码的解译以及根据解码模拟人体触觉过程；所述模拟触觉过程中，需要对编码信息作去噪处理，保证信息真实性，同时对信息进行放大与增强，易于后续解码过程与触觉模拟可靠度。

基于微型元件的触觉模拟装置包括：外壳、变温模块、变形模块、加湿模块、振动模块、电源模块、信号处理模块。

所述外壳为橡胶或其他易于变化形状大小的材料，根据模拟材质大小、形状及光滑度差异，易于膨胀或收缩，大致还原材质外形特征。变温模块是一种半导体控温组件，根据控制信号加热或降温，大致还原材质温度及人体体验。变形模块补充外壳无法进一步实现的细微变形，还原材质真实的颗粒感或平整度。加湿模块针对材料特性进行加湿或除湿，客观上，还有利于材料硬度与光滑度的还原塑造。振动模块辅助还原触摸材料带给人体的压感。电源模块传递控制信号并提供电源，保证元件工作状态。信号处理模块由敏感栅、中央处理器等构成，用于实时接收并处理传递控制信号。

所述变温模块、变形模块、加湿模块、振动模块在微型控制元件中成组出现，共同主导或辅助完成还原材料的模拟触觉工作。信号处理模块反复应用，捕捉微小信号，对不均匀的材质的还原起到十分关键的作用。

所述变温模块、变形模块、加湿模块、振动模块在微型控制元件中反复出现，并根据触觉数据，呈现立体、多效、全面的工作效果，实现对最小单元触觉的还原。

实施例4

在实施例2的基础上，模拟元件可采用包括但不限于平面型、手套型的各种外观形式。其中，一种手套型的外观设计如图2所示。包括基本外壳1，手套手掌部分2，手背传感芯片3，手掌手腕部分4，传感电线5。基本外壳1为前述外壳材料，对元宇宙触觉模拟与还原。手套手掌部分2分布有密布突起，在模拟触觉同时，通过自身外观特性，展开收缩、舒张、打击等功能，强化材质模拟颗粒感。手背传感芯片3是传感芯片，集成数据，对数据进行流处理。手掌手腕部分4在传感电线5与基本外壳1之间，可进行安全认证与分配权限。传感电线5接收信号，实现与元宇宙主机的沟通。

其中，所述手套样式的终端外观型式，不仅可为用户带来更便捷的触感真实化模拟，使用户可主动感受元宇宙中的物体；还可应用于用户在元宇宙中，对服装、家居、装修板材等对材质特性有特殊要求的物类选用。

其中，模拟元件同时模拟包括痒觉、痛觉、压觉等在内的不同触觉；所述元宇宙触觉模拟系统模拟非外部条件带来的各种主观触觉。