适读人群 ：工程技术人员和大专院校师生
双指力觉交互技术是研究虚实融合系统的必备技术，本书的研究成果在虚拟拆装、模拟训练、娱乐游戏、数据可视化等领域有重要意义，能够使操作者以直观而自然的方式与这个虚拟世界交互,并获得与真实世界一致的视觉、听觉和力觉等感知。因此本书对于相关研究人员有极强的参考价值，推荐阅读。

本书主要阐述虚实融合的双指力觉交互技术,以此构建了沉浸式虚拟现实系统。该系统实现虚拟空间与真实空间的统一,视觉空间和力觉空间的统一,用户可以与虚拟世界进行直接而自然的双指力觉交互。本书共6章,分别为绪论、沉浸性虚拟环境的生成、大操作空间双指力觉交互系统的实现、力觉交互系统表现刚度、力觉空间与视觉空间的融合和双指直接力觉交互。本书针对虚实融合的双指力觉交互技术进行研究,相关成果在虚拟拆装、模拟训练、娱乐游戏、数据可视化等领域有着重要意义。
本书可为虚拟现实力觉交互技术领域的研究者和从业人员提供技术和分析方法,也可作为机械电子工程及相关专业研究生的教学参考书。

李建，男，工学博士。2011年毕业于北京理工大学机械电子工程专业，获工学博士学位，毕业后任教于北京工商大学，曾任工业设计系主任，现为计算机与人工智能学院智能制造与机械工程系教师，硕士生导师。研究方向为绳索驱动机器人、力觉交互、3D打印、机电系统控制等。
石文天，男，1980 年生，山东济南人，博士，博士研究生导师，北京工商大学计算机与人工智能学院教授。2006 年硕士毕业于北京理工大学；2009 年博士毕业于北京理工大学，同年进入北京工商大学工作，2011 年晋升为副教授，2012 年任机械工程系副主任，2019 年晋升为教授，2022 年任机械工程系主任兼机械工程学科负责人。

前言
第1章绪论1
1.1虚拟现实简介1
1.1.1虚拟现实的概念与特征1
1.1.2虚拟现实的应用2
1.1.3沉浸式虚拟现实系统3
1.2虚拟现实系统中的力觉交互4
1.2.1多感知技术概述4
1.2.2融入力觉交互的虚拟现实系统研究现状5
1.3虚实融合的双指力觉交互技术11
1.3.1虚实融合的双指力觉交互技术的目标11
1.3.2虚实融合的双指力觉交互技术的主要内容11
参考文献14
第2章沉浸性虚拟环境的生成16
2.1立体场景的生成16
2.1.1立体感知原理16
2.1.2视差式立体显示技术17
2.1.3生成沉浸式环境的软硬件系统20
2.2真实感立体图像对的生成算法22
2.3真实感明暗处理及纹理映射24
2.4虚实统一26
2.5多屏幕融合28
2.5.1多屏幕融合的意义与挑战28
2.5.2多屏幕融合的实现方法30
2.5.3多屏幕融合的关键技术32
2.6实验及分析37
2.7本章小结38
参考文献40
第3章大操作空间双指力觉交互系统的实现42
3.1虚拟现实中的力觉交互42
3.1.1力觉交互分类42
3.1.2力觉交互性能指标47
3.2线绳式双指力觉交互系统的构成48
3.2.1绳驱并联机构48
3.2.2设备组成和基本结构 50
3.2.3控制系统设计51
3.3力觉交互功能的实现54
3.3.1并联机构运动学54
3.3.2动力学与力的分解59
3.3.3交互力工作空间分析65
3.3.4控制算法69
3.4本章小结72
参考文献73
第4章力觉交互系统表现刚度75
4.1力觉交互系统表现刚度和力觉交互系统模型75
4.1.1力觉交互系统表现刚度75
4.1.2力觉交互系统模型76
4.2采样系统对表现刚度的影响分析78
4.3操作者对表现刚度的影响81
4.3.1操作者的主动性在力觉交互中的作用81
4.3.2操作者手臂的机械阻抗特性影响83
4.4系统弹性对表现刚度的影响86
4.5位移量化误差对力觉交互过程稳定性的影响88
4.6虚拟连接器90
4.7本章小结93
参考文献95
第5章力觉空间与视觉空间的融合97
5.1系统中的空间坐标系97
5.1.1立体投影系统坐标系97
5.1.2视点坐标系98
5.1.3力觉交互系统坐标系99
5.2各坐标系之间的转化99
5.2.1力觉交互系统内坐标转化为投影系统内坐标99
5.2.2视点坐标转化为立体投影系统内坐标100
5.3电磁跟踪器的注册与校准103
5.3.1电磁跟踪原理103
5.3.2电磁跟踪器的注册105
5.3.3电磁跟踪器的校准106
5.3.4FOB的物理参数及性能112
5.3.5干扰问题的解决112
5.4力觉交互系统坐标系校准113
5.4.1线绳长度测量精度分析113
5.4.2电动机空间位置的校正115
5.5融合效果实验及结论116
5.5.1实验方法116
5.5.2实验结果及结论117
5.6本章小结118
参考文献120
第6章双指直接力觉交互123
6.1虚拟现实中的双指力觉交互123
6.2双指力觉交互的实现125
6.2.1抓取过程及双指交互力125
6.2.2物理引擎的应用129
6.2.3碰撞力的计算及表现130
6.3双指交互实例132
6.4本章小结134
参考文献136

沉浸式虚拟现实系统旨在创建一个高度真实的三维虚拟世界,操作者以直观而自然的方式与这个虚拟世界交互,并获得与真实世界一致的视觉、听觉和力觉等感知。人类的力觉感知有这样一个特性:当各种混淆或者自相矛盾的信息呈现给感觉器官时,力觉感知所提供的关于世界的线索是认知系统最为信任的。在沉浸式虚拟现实系统中,力觉感知和交互是保证系统沉浸感和真实感的关键要素。本书针对虚实融合的双指力觉交互技术进行研究,相关成果在虚拟拆装、模拟训练、娱乐游戏、数据可视化等领域有重要意义。
　　为了实现真正沉浸式的虚拟环境,首先应该实现虚拟空间与真实空间的融合统一。本书第2章深入研究了视差式立体显示技术原理,采用真实感立体图像对的生成算法,保证了立体成像位置的准确性。针对虚拟空间与真实空间的尺度不统一问题,提出了以投影屏幕作为中介的尺度统一方法,实现了虚拟空间与真实空间坐标系的重合。沉浸式虚拟现实系统对力觉交互设备有特殊的要求,不但要有大的操作空间,还要适合对虚拟物体的直接操作,不能阻碍用户视线,因此本书介绍了线绳式力觉交互系统。第3章主要阐述线绳式大操作空间双指力觉交互系统的实现问题。为提高力觉交互系统的表现阻抗范围,第4章对力觉交互系统表现刚度进行了研究。为了实现对虚拟物体的第一人称直接操作,做到“所触即所见”,必须保证视觉和力觉空间的精确融合。第5章研究了沉浸式虚拟现实系统中所涉及的坐标系,对发生变形和位置检测不准确的坐标系进行了校正,然后通过坐标转换,将视点坐标系和力觉空间坐标系都统一到以投影屏幕中心为原点的投影系统坐标系中。第6章中研究了双指直接力觉交互,用户不仅能触摸到虚拟物体,而且能对其进行抓持、移动、翻转等操作。研究中将操作分为六种状态,分别计算双指所受交互力,结合物理引擎的应用,极大提高了交互过程真实感。多人参加的评价实验表明,融合后的系统基本消除了视觉和力觉感知冲突,能实现对虚拟物体的直接操作。
　　本书主要章节由李建完成写作,石文天负责第2章中多屏幕融合部分的写作。本书的出版得到了北京工商大学的支持,特此感谢!
李建于北京工商大学
2024年5月