反馈力生成方法及装置的制造方法

反馈力生成方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种反馈力生成方法及装置，该方法包括：建立虚拟物体对应的物体八叉球树模型及图形工具对应的图形工具八叉球树模型，采用所述物体八叉球树模型和所述图形工具八叉球树模型进行所述虚拟物体与所述图形工具之间的碰撞检测，基于碰撞检测结果进行图形工具的位姿优化，并生成反馈力。该方法能够快速并且准确地检测出虚拟物体和图形工具之间的碰撞信息，并且使得反馈力生成的效果逼真、实时、没有延迟。
【专利说明】
反馈力生成方法及装置
技术领域
[0001] 本发明设及虚拟现实技术，尤其设及一种反馈力生成方法及装置。
【背景技术】
[0002] 随着触觉交互技术与计算机技术的进步，触觉信息正被逐渐引入虚拟现实系统， 使操作者在对虚拟环境中的虚拟物体进行操作时，感受到虚拟物体之间作用力及运动，体 验到如同操作真实物体的触觉感知效果。该技术可W应用在医疗、航天、商业、教育等众多 领域中。
[0003] 现有技术中，W牙科临床前期训练过程为例，在牙科临床前期训练过程中，首先使 用电子计算机断层扫描(Computed Tomogra地y，简称CT)等数据在计算机中重构人体或某 一器官的几何模型，进而采用虚拟现实技术赋予模型一定的物理特征(例如密度、初度、组 织比例等），再通过机械手或数据手套等力觉交互工具在计算机中模拟手术过程，其中包括 对触觉的感知，从而达到节省训练费用，提高医生的操作熟练度，减少因临床经验不足造成 的病人损伤等效果。
[0004] 但是，采用现有技术，对于触觉感知的真实度模拟不足，例如牙科临床前期训练过 程中，对于探针触碰牙齿的触觉模拟所获取的真实度存在一定欠缺，并且模拟过程中响应 速度慢。

【发明内容】

[0005] 本发明提供一种反馈力生成方法及装置，用于解决现有技术在模拟过程中真实度 不够并且响应速度慢的问题。
[0006] 本发明第一方面提供一种反馈力生成方法，包括：
[0007] 根据物体=角网格模型建立虚拟物体对应的物体八叉球树模型，其中，所述物体 八叉球树模型由预设层数的物体球组成，最外层的物体球为最大的一个物体球，依次向内 的每一层都包括多个物体球，每层的多个物体球均匀分布在上一层的至少一个物体球内； [000引根据图形工具=角网格模型建立图形工具对应的图形工具八叉球树模型，其中， 所述图形工具八叉球树模型由所述预设层数的工具球组成，最外层的工具球为最大的一个 工具球，依次向内的每一层都包括多个工具球，每层的多个工具球均匀分布在上一层的至 少一个工具球内；
[0009] 采用所述物体八叉球树模型和所述图形工具八叉球树模型进行所述虚拟物体与 所述图形工具之间的碰撞检测，获取碰撞球对的集合，所述碰撞球对为所述物体八叉球树 模型和所述图形工具八叉球树模型碰撞后相交部分中最内层相交的工具球和物体球；
[0010] 根据所述碰撞球对的集合计算所述图形工具的优化位姿；
[0011] 计算所述图形工具的优化位姿与预设的物理工具位姿的差值，并根据所述差值计 算反馈力。
[0012] 进一步地，所述采用所述物体八叉球树模型和所述图形工具八叉球树模型进行所 述虚拟物体与所述图形工具之间的碰撞检测，获取碰撞球对的集合，包括：
[0013] A、判断所述物体八叉球树模型的当前检测层中物体球与所述图形工具八叉球树 模型的当前检测层中工具球是否相交，若相交，则将所述物体八叉球树模型的当前检测层 中与所述图形工具八叉球树模型的当前检测层中相交的物体球和工具球球对集合作为碰 撞球对的集合；
[0014] B、判断所述碰撞球对的集合中的所述物体球与所述工具球是否相交，若相交，贝U 将所述物体球所包含的所有下一层物体球与所述工具球所包含的所有下一层工具球的球 对集合作为新的所述碰撞球对的集合，并将所述物体八叉球树模型的当前检测层的下一层 作为所述物体八叉球树模型的新的当前检测层，W及将所述图形工具八叉球树模型的当前 检测层的下一层作为所述图形工具八叉球树模型的新的当前检测层；
[0015] C、循环执行B，直至所述图形工具八叉球树模型的当前检测层为所述图形工具八 叉球树模型的最内层W及所述物体八叉球树模型的当前检测层为所述物体八叉球树模型 的最内层，或者，直至所述碰撞球对的集合为空。
[0016] 进一步地，所述判断所述物体八叉球树模型的当前检测层中物体球与所述图形工 具八叉球树模型的当前检测层中工具球是否相交，包括：
[0017] 根据公^^
圧行计算，若计算结果小于零，则确定所述物体球 与所述工具球相交，否则不相交；
[0018] 其中，rl为所述物体八叉球树模型的当前检测层中物体球的半径，r2为所述图形 工具八叉球树模型的当前检测层中工具球的半径。
[0019] 进一步地，所述根据所述碰撞球对的集合计算所述图形工具的优化位姿，包括： [0020] 根据公式 、- ? - ? ? ?
-- 进行迭代计算，求解出满足最小势能原理并且符合约束条件的<，将所述<作为所述图形 工具的优化位姿;其中，所述约束条件是指所述图形工具和所述虚拟物体的距离大于所述 图形工具的半径和所述虚拟物体的半径之和，扭为预设的物理工具的位姿，G为预设刚度矩 阵，且所述预设刚度矩阵为对角矩阵，所述对角矩阵的对角线上的元素对应的是所述图形 工具=维平动和=维转动的刚度系数，xi，yi，zi用于表示所述图形工具对应的所述工具球 的球屯、，Xj，yj，Zj用于表示所述虚拟物体对应的所述物体球的球屯、，ri表示所述图形工具对 应的所述工具球的半径，n表示所述虚拟物体对应的所述物体球的半径。
[0021] 进一步地，所述计算所述图形工具的优化位姿与预设的物理工具的位姿的差值， 并根据所述差值计算反馈力，包括：
[0022] 根据公式
t算所述反馈力，其中，G表示所述预设 刚度矩阵，起为所述图形工具的优化位姿，始;为预设的物理工具的位姿，（Fx，Fy，Fz，Tx， Ty, Tz)为所述反馈力。
[0023] 本发明第二方面提供一种反馈力生成装置，包括：
[0024] 第一建立模块，用于根据物体=角网格模型建立虚拟物体对应的物体八叉球树模 型，其中，所述物体八叉球树模型由预设层数的物体球组成，最外层的物体球为最大的一个 物体球，依次向内的每一层都包括多个物体球，每层的多个物体球均匀分布在上一层的至 少一个物体球内.
[0025] 第二建立模块，用于根据图形工具=角网格模型建立图形工具对应的图形工具八 叉球树模型，其中，所述图形工具八叉球树模型由所述预设层数的工具球组成，最外层的工 具球为最大的一个工具球，依次向内的每一层都包括多个工具球，每层的多个工具球均匀 分布在上一层的至少一个工具球内；
[0026] 检测模块，用于采用所述物体八叉球树模型和所述图形工具八叉球树模型进行所 述虚拟物体与所述图形工具之间的碰撞检测，获取碰撞球对的集合，所述碰撞球对为所述 物体八叉球树模型和所述图形工具八叉球树模型碰撞后相交部分中最内层相交的工具球 和物体球；
[0027] 第一计算模块，用于根据所述碰撞球对的集合计算所述图形工具的优化位姿；
[0028] 第二计算模块，用于计算所述图形工具的优化位姿与预设的物理工具位姿的差 值，并根据所述差值计算反馈力。
[0029] 进一步地，所述检测模块具体用于：
[0030] A、判断所述物体八叉球树模型的当前检测层中物体球与所述图形工具八叉球树 模型的当前检测层中工具球是否相交，若相交，则将所述物体八叉球树模型的当前检测层 中与所述图形工具八叉球树模型的当前检测层中相交的物体球和工具球球对集合作为碰 撞球对的集合；
[0031] B、判断所述碰撞球对的集合中的所述物体球与所述工具球是否相交，若相交，贝U 将所述物体球所包含的所有下一层物体球与所述工具球所包含的所有下一层工具球的球 对集合作为新的所述碰撞球对的集合，并将所述物体八叉球树模型的当前检测层的下一层 作为所述物体八叉球树模型的新的当前检测层，W及将所述图形工具八叉球树模型的当前 检测层的下一层作为所述图形工具八叉球树模型的新的当前检测层；
[0032] C、循环执行B，直至所述图形工具八叉球树模型的当前检测层为所述图形工具八 叉球树模型的最内层W及所述物体八叉球树模型的当前检测层为所述物体八叉球树模型 的最内层，或者，直至所述碰撞球对的集合为空。
[0033] 进一步地，所述检测模块具体还用于：
[0034] 根据公式
巧行计算，若计算结果小于零，则确定所述物体球 与所述工具球相交，否则不相交；
[0035] 其中，rl为所述物体八叉球树模型的当前检测层中物体球的半径，r2为所述图形 工具八叉球树模型的当前检测层中工具球的半径。
[0036] 进一步地.所冰笛一if貸摇比且化田干.
[0037] 根据公；
进行迭代计算，求解出满足最小势能原理并且符合约束条件的《，将所述《作为所述图形 工具的优化位姿;其中，所述约束条件是指所述图形工具和所述虚拟物体的距离大于所述 图形工具的半径和所述虚拟物体的半径之和，柏为预设的物理工具的位姿，G为预设刚度矩 阵，且所述预设刚度矩阵为对角矩阵，所述对角矩阵的对角线上的元素对应的是所述图形 工具=维平动和=维转动的刚度系数，xi，yi，zi用于表示所述图形工具对应的所述工具球 的球屯、，刮，yj，Zj用于表示所述虚拟物体对应的所述物体球的球屯、，ri表示所述图形工具对 应的所述工具球的半径，rj表示所述虚拟物体对应的所述物体球的半径。
[0038] 进一步地，所述第二计算模块具体用于：
[0039] 根据公J
计算所述反馈力，其中，G表示所述预 设刚度矩阵，挺为所述图形工具的优化位姿，盗为预设的物理工具的位姿，（Fx，Fy，Fz，Tx， Ty, Tz)为所述反馈力。
[0040] 本发明所提供的反馈力生成方法，基于物体八叉球树模型和图形工具八叉球树模 型进行碰撞检测，确定出碰撞球对的集合，进而计算出反馈力。从而能够快速并且准确地检 测出虚拟物体和图形工具之间的碰撞信息，并且使得反馈力生成的效果逼真、实时、没有延 迟。
【附图说明】
[0041] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发 明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可W根 据运些附图获得其他的附图。
[0042] 图1为本发明提供的反馈力生成方法实施例一的流程示意图；
[0043] 图2为本发明提供的反馈力生成方法实施例一的中轴线建立示意图；
[0044] 图3为八叉球树模型的各层示意图；
[0045] 图4为本发明提供的反馈力生成方法实施例二的流程示意图；
[0046] 图5为本发明提供的反馈力生成装置实施例一的模块结构图。
【具体实施方式】
[0047] 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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
[004引图1为本发明提供的反馈力生成方法实施例一的流程示意图，如图1所示，该方法 包括：
[0049] SlOl、根据物体=角网格模型建立虚拟物体对应的物体八叉球树模型。
[0050] 其中，物体八叉球树模型由预设层数的物体球组成，最外层的物体球为最大的一 个物体球，依次向内的每一层都包括多个物体球，每层的多个物体球均匀分布在上一层的 至少一个物体球内。
[0051] 现有技术中，一般使用=角网格模型来虚拟呈现一个物体。=角网格模型的生成 方法可W参考现有技术，此处不再寶述。本发明基于物体的=角网格模型来生成虚拟物体 对应的物体八叉球树模型。
[0052] 优选地，可W基于中轴线理论来建立物体八叉球树模型。其核屯、思想是利用=角 网格模型上的点来建立一个维诺图表，从而获得层次的八叉球树。
[0053] 图2为本发明提供的反馈力生成方法实施例一的中轴线建立示意图，如图2所示， 在二维图中寻找维诺多边形，中轴的每一个顶点都在原来物体上某两个点的垂直平分线 上，则中轴上运个点到运两个点的距离相等，如果物体是一个由许多点组成的物体，那么用 同样的寻找垂直平分线交点的方法就可W确定运个物体的维诺多边形。进而，就可W利用 运个维诺多边形来近似表示运个物体的中轴，将运个理论拓展到=维，就可W生成=角网 格模型中的维诺多边形。
[0054] 进而，基于上述维诺多边形，用尽可能少的球来逼近一个=角网格模型，同时，让 球有一个层次化的结构，从而生成由多层次的球构成的八叉球树模型。图3为八叉球树模型 的各层示意图，在此基础上，对于任何一个=角网格模型，都可W采用不同层次的球来最终 生成其对应的八叉球树模型。
[0055] S102、根据图形工具=角网格模型建立图形工具对应的图形工具八叉球树模型。
[0056] 其中，图形工具八叉球树模型由预设层数的工具球组成，最外层的工具球为最大 的一个工具球，依次向内的每一层都包括多个工具球，每层的多个工具球均匀分布在上一 层的至少一个工具球内。
[0057] 由图形工具=角网格模型生成图像工具八叉球树模型的方法可W参考前述物体 八叉球树模型生成方法。
[005引S103、采用上述物体八叉球树模型和上述图形工具八叉球树模型进行虚拟物体与 图形工具之间的碰撞检测，获取碰撞球对的集合。
[0059] 其中，碰撞球对为物体八叉球树模型和图形工具八叉球树模型碰撞后相交部分中 最内层相交的工具球和物体球。
[0060] 碰撞检测的目的是确定虚拟物体与图形工具是否接触。
[0061] S104、根据上述碰撞球对的集合计算图形工具的优化位姿。
[0062] S105、计算图形工具的优化位姿与预设的物理工具位姿的差值，并根据该差值计 算反馈力。
[0063] 本实施例中，基于物体八叉球树模型和图形工具八叉球树模型进行碰撞检测，确 定出碰撞球对的集合，进而计算出反馈力。从而能够快速并且准确地检测出虚拟物体和图 形工具之间的碰撞信息，并且使得反馈力生成的效果逼真、实时、没有延迟。
[0064] 图4为本发明提供的反馈力生成方法实施例二的流程示意图，如图4所示，上述步 骤S103具体包括：
[0065] S201、判断物体八叉球树模型的当前检测层中物体球与图形工具八叉球树模型的 当前检测层中工具球是否相交，若相交，则将物体八叉球树模型的当前检测层中与图形工 具八叉球树模型的当前检测层中相交的物体球和工具球球对集合作为碰撞球对的集合。
[0066] 本步骤中的当前检测层为物体八叉球树模型和图形工具八叉球树模型的最外层。
[0067] S202、判断上述碰撞球对的集合中的物体球与工具球是否相交，若相交，则将物体 球所包含的所有下一层物体球与工具球所包含的所有下一层工具球的球对集合作为新的 碰撞球对的集合，并将物体八叉球树模型的当前检测层的下一层作为物体八叉球树模型的 新的当前检测层，W及将图形工具八叉球树模型的当前检测层的下一层作为图形工具八叉 球树模型的新的当前检测层。
[0068] S203、循环执行S202,直至图形工具八叉球树模型的当前检测层为图形工具八叉 球树模型的最内层W及物体八叉球树模型的当前检测层为物体八叉球树模型的最内层，或 者，直至上述碰撞球对的集合为空。
[0069] 目P，对物体球和工具球逐层进行相交判断，从而找到最内层的碰撞球对。
[0070] 优选地，图形工具八叉球树模型和物体八叉球树模型的层数可W设置为3层。运样 在进行碰撞检测时，只需要进行3层判断，就可W完成碰撞检测。
[0071] 本实施例的方法，不仅能够更加迅速的完成碰撞检测，并且，所得到的碰撞球对的 集合还可W用于后续的位姿优化。
[0072] 另一实施例中，上述判断物体八叉球树模型的当前检测层中物体球与图形工具八 叉球树模型的当前检测层中工具球是否相交的优选方法为：
[0073] 根据公式
里行计算，若计算结果小于零，则确定物体球与工 具球相交，否则不相交。
[0074] 其中，rl为物体八叉球树模型的当前检测层中物体球的半径，r2为图形工具八叉 球树模型的当前检测层中工具球的半径。
[0075] 即通过判断物体球和工具球的球屯、之间的欧几里得距离与二者半径之和的关系 来确定二者是否相交，如果二者球屯、之间的距离小于其半径之和，则说明二者发生碰撞，否 则说明二者并没有发生碰撞。
[0076] 另一实施例中，上述步骤S104中根据碰撞球对的集合计算图形工具的优化位姿具 体为：
[0077] 根据公5
进行迭代计算，求解出满足最小势能原理并且符合约束条件的矣，将起作为图形工具的优 化位姿;其中，约束条件是指图形工具和虚拟物体的距离大于图形工具的半径和虚拟物体 的半径之和，盗为预设的物理工具的位姿，G为预设刚度矩阵，且该预设刚度矩阵为对角矩 阵，该对角矩阵的对角线上的元素对应的是图形工具=维平动和=维转动的刚度系数，XI， Yi, Zi用于表示所述图形工具对应的所述工具球的球屯、，Xj, yj，zj用于表示虚拟物体对应的 物体球的球屯、，ri表示图形工具对应的工具球的半径，rj表示虚拟物体对应的物体球的半 径。
[0078] 上述公式的意义在于:位姿约束的条件就是当物理工具与物体发生嵌入时，应保 证视觉上看到的图形工具不能与物体发生任何嵌入。
[0079] 可选地，上述公式的迭代可W执行20次。
[0080] 本实施例使用位姿优化实现了六自由度的力觉仿真。
[0081] 另一实施例中，上述步骤S105的具体实现方式可W为：
[0082] 根据公式
开算所述反馈力，其中，G表示预设刚度 矩阵，嗔为图形工具的优化位姿，扭为预设的物理工具的位姿，（Fx，Fy，Fz，Tx，Ty，Tz)为需 要求解的反馈力，即根据图形工具的位姿(位置/空间坐标和姿态/角度)求出的空间=维力 和力矩。
[0083] 上述公式为使用弹黃模型的力觉计算方法，该方法计算快速，能够满足六自由度 模拟场景中的各种需要。
[0084] 上述方法可W应用于多种虚拟现实场景中，例如可W应用于口腔手术模拟中。该 方法已经在口腔收入模拟中得到实施，结果显示，该方法使得口腔手术模拟的逼真度和响 应速度得到大幅提升。
[0085] 图5为本发明提供的反馈力生成装置实施例一的模块结构图，如图5所述，该装置 包括：
[0086] 第一建立模块501，用于根据物体=角网格模型建立虚拟物体对应的物体八叉球 树模型，其中，物体八叉球树模型由预设层数的物体球组成，最外层的物体球为最大的一个 物体球，依次向内的每一层都包括多个物体球，每层的多个物体球均匀分布在上一层的至 少一个物体球内。
[0087] 第二建立模块502,用于根据图形工具=角网格模型建立图形工具对应的图形工 具八叉球树模型，其中，图形工具八叉球树模型由预设层数的工具球组成，最外层的工具球 为最大的一个工具球，依次向内的每一层都包括多个工具球，每层的多个工具球均匀分布 在上一层的至少一个工具球内。
[0088] 检测模块503,用于采用物体八叉球树模型和图形工具八叉球树模型进行虚拟物 体与图形工具之间的碰撞检测，获取碰撞球对的集合，碰撞球对为物体八叉球树模型和图 形工具八叉球树模型碰撞后相交部分中最内层相交的工具球和物体球。
[0089] 第一计算模块504,用于根据上述碰撞球对的集合计算图形工具的优化位姿。
[0090] 第二计算模块505,用于计算图形工具的优化位姿与预设的物理工具位姿的差值， 并根据该差值计算反馈力。
[0091] 该装置用于执行前述方法实施例，其实现原理和技术效果类似，此处不再寶述。
[0092] 另一实施例中，检测模块503具体用于：
[0093] A、判断物体八叉球树模型的当前检测层中物体球与图形工具八叉球树模型的当 前检测层中工具球是否相交，若相交，则将物体八叉球树模型的当前检测层中与图形工具 八叉球树模型的当前检测层中相交的物体球和工具球球对集合作为碰撞球对的集合。
[0094] B、判断碰撞球对的集合中的物体球与工具球是否相交，若相交，则将物体球所包 含的所有下一层物体球与工具球所包含的所有下一层工具球的球对集合作为新的碰撞球 对的集合，并将物体八叉球树模型的当前检测层的下一层作为物体八叉球树模型的新的当 前检测层，W及将图形工具八叉球树模型的当前检测层的下一层作为图形工具八叉球树模 型的新的当前检测层。
[00M] C、循环执行B，直至图形工具八叉球树模型的当前检测层为图形工具八叉球树模 型的最内层W及物体八叉球树模型的当前检测层为物体八叉球树模型的最内层，或者，直 至碰撞球对的集合为空。
[0096]另一实施例中，检测模块503具体还用于：
[0097] 根据公式
巧行计算，若计算结果小于零，则确定所述物体球 与所述工具球相交，否则不相交；
[0098] 其中，rl为所述物体八叉球树模型的当前检测层中物体球的半径，r2为所述图形 工具八叉球树模型的当前检测层中工具球的半径。
[0099] 另一实施例中，第一计算模块504具体用于：
[0100] 根据公式
进行迭代计算，求解出满足最小势能原理并且符合约束条件的《，将所述< 作为所述图形 工具的优化位姿;其中，所述约束条件是指所述图形工具和所述虚拟物体的距离大于所述 图形工具的半径和所述虚拟物体的半径之和，省为预设的物理工具的位姿，G为预设刚度矩 阵，且所述预设刚度矩阵为对角矩阵，所述对角矩阵的对角线上的元素对应的是所述图形 工具=维平动和=维转动的刚度系数，xi，yi，zi用于表示所述图形工具对应的所述工具球 的球屯、，Xj，yj，Zj用于表示所述虚拟物体对应的所述物体球的球屯、，ri表示所述图形工具对 应的所述工具球的半径，n表示所述虚拟物体对应的所述物体球的半径。
[0101] 另一实施例中，第二计算模块505具体用于：
[0102] 根据公式
计算所述反馈力，其中，G表示所述预 设刚度矩阵，< 为所述图形工具的优化位姿，柏为预设的物理工具的位姿，（Fx，Fy，Fz，Tx， Ty, Tz)为所述反馈力。
[0103] 本领域普通技术人员可W理解:实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可W通 过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可W存储于一计算机可读取存储介质中。该程 序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤;而前述的存储介质包括:R〇M、RAM、磁碟或 者光盘等各种可W存储程序代码的介质。
[0104] 最后应说明的是：W上各实施例仅用W说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽 管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依 然可W对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进 行等同替换；而运些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术 方案的范围。
【主权项】
1. 一种反馈力生成方法，其特征在于，包括： 根据物体三角网格模型建立虚拟物体对应的物体八叉球树模型，其中，所述物体八叉 球树模型由预设层数的物体球组成，最外层的物体球为最大的一个物体球，依次向内的每 一层都包括多个物体球，每层的多个物体球均匀分布在上一层的至少一个物体球内； 根据图形工具三角网格模型建立图形工具对应的图形工具八叉球树模型，其中，所述 图形工具八叉球树模型由所述预设层数的工具球组成，最外层的工具球为最大的一个工具 球，依次向内的每一层都包括多个工具球，每层的多个工具球均匀分布在上一层的至少一 个工具球内； 采用所述物体八叉球树模型和所述图形工具八叉球树模型进行所述虚拟物体与所述 图形工具之间的碰撞检测，获取碰撞球对的集合，所述碰撞球对为所述物体八叉球树模型 和所述图形工具八叉球树模型碰撞后相交部分中最内层相交的工具球和物体球； 根据所述碰撞球对的集合计算所述图形工具的优化位姿； 计算所述图形工具的优化位姿与预设的物理工具位姿的差值，并根据所述差值计算反 馈力。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用所述物体八叉球树模型和所述图 形工具八叉球树模型进行所述虚拟物体与所述图形工具之间的碰撞检测，获取碰撞球对的 集合，包括： A、 判断所述物体八叉球树模型的当前检测层中物体球与所述图形工具八叉球树模型 的当前检测层中工具球是否相交，若相交，则将所述物体八叉球树模型的当前检测层中与 所述图形工具八叉球树模型的当前检测层中相交的物体球和工具球球对集合作为碰撞球 对的集合； B、 判断所述碰撞球对的集合中的所述物体球与所述工具球是否相交，若相交，则将所 述物体球所包含的所有下一层物体球与所述工具球所包含的所有下一层工具球的球对集 合作为新的所述碰撞球对的集合，并将所述物体八叉球树模型的当前检测层的下一层作为 所述物体八叉球树模型的新的当前检测层，以及将所述图形工具八叉球树模型的当前检测 层的下一层作为所述图形工具八叉球树模型的新的当前检测层； C、 循环执行B，直至所述图形工具八叉球树模型的当前检测层为所述图形工具八叉球 树模型的最内层以及所述物体八叉球树模型的当前检测层为所述物体八叉球树模型的最 内层，或者，直至所述碰撞球对的集合为空。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述判断所述物体八叉球树模型的当前检 测层中物体球与所述图形工具八叉球树模型的当前检测层中工具球是否相交，包括： 根据公式disl=、/n2+tv- (η+Γ:)进行计算，若计算结果小于零，则确定所述物体球与所述 工具球相交，否则不相交； 其中，rl为所述物体八叉球树模型的当前检测层中物体球的半径，r2为所述图形工具 八叉球树模型的当前检测层中工具球的半径。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述碰撞球对的集合计算所述图 形工具的优化位姿，包括： 根据公式进行迭 代计算，求解出满足最小势能原理并且符合约束条件的<，将所述 < 作为所述图形工具的 优化位姿;其中，所述约束条件是指所述图形工具和所述虚拟物体的距离大于所述图形工 具的半径和所述虚拟物体的半径之和，化为预设的物理工具的位姿，G为预设刚度矩阵，且 所述预设刚度矩阵为对角矩阵，所述对角矩阵的对角线上的元素对应的是所述图形工具三 维平动和三维转动的刚度系数，^^^^用于表示所述图形工具对应的所述工具球的球心， xj，yj，zj用于表示所述虚拟物体对应的所述物体球的球心，:ri表示所述图形工具对应的所 述工具球的半径，rj表示所述虚拟物体对应的所述物体球的半径。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述图形工具的优化位姿与预设 的物理工具位姿的差值，并根据所述差值计算反馈力，包括： 根据公式(尽'.R) = 6'? -<)计算所述反馈力，其中，G表示所述预设刚度 矩阵，f丨为所述图形工具的优化位姿，为预设的物理工具的位姿，（Fx，Fy，Fz，Tx，Ty，Tz) 为所述反馈力。6. -种反馈力生成装置，其特征在于，包括： 第一建立模块，用于根据物体三角网格模型建立虚拟物体对应的物体八叉球树模型， 其中，所述物体八叉球树模型由预设层数的物体球组成，最外层的物体球为最大的一个物 体球，依次向内的每一层都包括多个物体球，每层的多个物体球均匀分布在上一层的至少 一个物体球内； 第二建立模块，用于根据图形工具三角网格模型建立图形工具对应的图形工具八叉球 树模型，其中，所述图形工具八叉球树模型由所述预设层数的工具球组成，最外层的工具球 为最大的一个工具球，依次向内的每一层都包括多个工具球，每层的多个工具球均匀分布 在上一层的至少一个工具球内； 检测模块，用于采用所述物体八叉球树模型和所述图形工具八叉球树模型进行所述虚 拟物体与所述图形工具之间的碰撞检测，获取碰撞球对的集合，所述碰撞球对为所述物体 八叉球树模型和所述图形工具八叉球树模型碰撞后相交部分中最内层相交的工具球和物 体球； 第一计算模块，用于根据所述碰撞球对的集合计算所述图形工具的优化位姿； 第二计算模块，用于计算所述图形工具的优化位姿与预设的物理工具位姿的差值，并 根据所述差值计算反馈力。7. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述检测模块具体用于： Α、判断所述物体八叉球树模型的当前检测层中物体球与所述图形工具八叉球树模型 的当前检测层中工具球是否相交，若相交，则将所述物体八叉球树模型的当前检测层中与 所述图形工具八叉球树模型的当前检测层中相交的物体球和工具球球对集合作为碰撞球 对的集合； Β、判断所述碰撞球对的集合中的所述物体球与所述工具球是否相交，若相交，则将所 述物体球所包含的所有下一层物体球与所述工具球所包含的所有下一层工具球的球对集 合作为新的所述碰撞球对的集合，并将所述物体八叉球树模型的当前检测层的下一层作为 所述物体八叉球树模型的新的当前检测层，以及将所述图形工具八叉球树模型的当前检测 层的下一层作为所述图形工具八叉球树模型的新的当前检测层； C、循环执行B，直至所述图形工具八叉球树模型的当前检测层为所述图形工具八叉球 树模型的最内层以及所述物体八叉球树模型的当前检测层为所述物体八叉球树模型的最 内层，或者，直至所述碰撞球对的集合为空。8. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述检测模块具体还用于： 根据公另：进行计算，若计算结果小于零，则确定所述物体球与所述 工具球相交，否则不相交； 其中，rl为所述物体八叉球树模型的当前检测层中物体球的半径，r2为所述图形工具 八叉球树模型的当前检测层中工具球的半径。9. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一计算模块具体用于： 根据公无注行迭 代计算，求解出满足最小势能原理并且符合约束条件的<，将所述<作为所述图形工具的 优化位姿;其中，所述约束条件是指所述图形工具和所述虚拟物体的距离大于所述图形工 具的半径和所述虚拟物体的半径之和，为预设的物理工具的位姿，G为预设刚度矩阵，且 所述预设刚度矩阵为对角矩阵，所述对角矩阵的对角线上的元素对应的是所述图形工具三 维平动和三维转动的刚度系数，^^^^用于表示所述图形工具对应的所述工具球的球心， xj，yj，zj用于表示所述虚拟物体对应的所述物体球的球心，:ri表示所述图形工具对应的所 述工具球的半径，rj表示所述虚拟物体对应的所述物体球的半径。10. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二计算模块具体用于： 根据公式(斤斤/?//>//>·, T:) = G' (<-<)计算所述反馈力，其中，G表示所述预设刚度 矩阵，4为所述图形工具的优化位姿，'为预设的物理工具的位姿，（Fx，Fy，Fz，Tx，Ty，Tz) 为所述反馈力。
【文档编号】G06F3/01GK105955458SQ201610250803
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月21日
【发明人】郝爱民, 王党校, 孔逸飞, 史有皎, 赵晓含
【申请人】北京天人同达软件科技有限公司