虚拟环境下材质识别实验

1）实验目的

研究基于热触觉的虚拟物材质识别。

2）被试人员

实验室10位同学，身体状况良好，无热触觉障碍。

3）实验过程规范

①做实验前，使用洗手液把手洗净；实验室环境温度设置为（20±1）℃。

②每次触摸热触觉感知与复现实验装置接触面之前必须用暖手袋暖手，并用热触觉实验装置的红外温度传感器检测食指温度，直到手指指肚温度达到35.5℃。

③每次实验触摸触觉实验装置接触面的压力基本相同。

④在每次材质识别实验过程中，触摸工作面的时间在10 s以内，并且为了避免热触觉疲劳，连续两次触觉实验的时间间隔至少为60 s。

⑤参与测试的人员在实验过程中不能得到他人的任何信息提示，并且在热触觉实验的12 s内必须回答虚拟物是什么材质，不能更改。

⑥每位参与测试的人员在做虚拟材质识别实验前，必须对照实物反复触摸、体验不同材质的热触觉感知，要求5种真实材质至少能正确识别4种，否则不能参与虚拟环境中物体的材质识别实验。

4）实验过程

①在Visual C++开发环境下，应用OpenGL库建立了虚拟物材质识别实验的虚拟环境。实验室自主开发了三维力反馈手控器，手控器和热触觉实验装置分别通过USB和串口与上位机通信。

②如图3-10所示，在环境温度为（20±1）℃时，通过手控器控制虚拟手指触摸虚拟物，虚拟手指触摸到虚拟物时，人的食指触摸热触觉显示装置的触觉接触面，开始热触觉感知实验；与此同时，上位机发出温度控制指令，根据图3-9所示的手指—物体接触面处手指皮肤的实时温度曲线（设定温度曲线），基于PID控温算法，控制热触觉实验装置的触觉接触面的温度，使接触面的温度无限逼近真实的热触觉手指皮肤的温度变化，热触觉实验装置触觉接触面的实测温度与设定温度曲线如图3-11所示；在上位机虚拟环境中，通过三维动画同步模拟接触面处的温度变化来增强热触觉的沉浸感、提高材质的识别率，如图3-10（b）所示。(www.xing528.com)

图3-10　虚拟环境中虚拟物材质识别实验

图3-11　热触觉显示装置触觉接触面的实测温度与设定温度曲线

③实验室10位同学参与了以下4种方案的虚拟环境材质识别实验。

方案1：在实验过程中设定触摸虚拟物体的顺序为泡沫、有机玻璃、橡胶、陶瓷和铝块，即从暖到冷的顺序（但并不告知参与测试的人员），允许触摸泡沫、有机玻璃、橡胶、陶瓷和铝块等真实物体进行比照，通过此方式测试各种虚拟物材质识别率。

方案2：在实验过程中设定触摸虚拟物体的顺序为泡沫、有机玻璃、橡胶、陶瓷和铝块，即从暖到冷的顺序（但并不告知参与测试的人员），不允许触摸泡沫、有机玻璃、橡胶、陶瓷和铝块等真实物体进行比照，通过此方式测试各种虚拟物材质识别率。

方案3：在实验过程中随机设定触摸虚拟物的顺序，并且允许触摸泡沫、有机玻璃、橡胶、陶瓷和铝块等真实物体进行比照，通过此方式测试各种虚拟物材质识别率。

方案4：在实验过程中随机设定触摸虚拟物的顺序，并且不允许触摸泡沫、有机玻璃、橡胶、陶瓷和铝块等真实物体进行比照，通过此方式测试各种虚拟物材质识别率。

5）实验结果

基于以上4种方案，泡沫、有机玻璃、橡胶、陶瓷和铝块5种虚拟物的材质识别正确率如图3-12所示，其中泡沫和铝块的材质识别正确率都达到了100%；由于有机玻璃和橡胶的热导率和热扩散率比较接近，两种材质容易混淆，所以材质识别率相对较低，也达到了70%的正确率，即10位同学中有3位同学把这两种材质识别错误。通过对以上4种方案材质识别正确率的比对和分析，得出以下结论：在实验过程中，若允许触摸实际物体进行温度触觉感知比对，虚拟物体材质识别率要优于实验过程中不允许触摸实际物体的情况；按照从暖到冷，即按照泡沫、有机玻璃、橡胶、陶瓷和铝块的顺序来设定虚拟物，虚拟物材质识别率优于随机设定虚拟物进行材质识别实验的识别率，这反映了人的热触觉感知存在时间记忆特性。

图3-12　虚拟物材质识别的正确率

虚拟环境中虚拟物材质识别实验结果表明，基于第二章2.1节所述半无限体模型的热触觉感知机理，本章设计的热触觉实验装置能够模拟或复现人的热触觉，虚拟环境中虚拟物的材质识别率高，在热触觉复现过程中有很强的真实感和沉浸感，能够应用于遥操作和远程再现、辅助或替代人的视觉和听觉等感觉以及游戏等领域。