計(jì)算機(jī)觸覺技術(shù)讓虛擬世界從此可觸摸 專家訪談(圖)

1、計(jì)算機(jī)觸覺技術(shù)讓虛擬世界從此可觸摸 專家訪談(圖) 核心提示計(jì)算機(jī)觸覺技術(shù)漸漸走入我們的生活，IBM（國際商業(yè)機(jī)器）公司甚至預(yù)測(cè)未來幾年內(nèi)，將會(huì)把這項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用到電腦上。比如在線購物時(shí)，商家將使用觸覺技術(shù)讓客戶提前“觸摸”商品：購物者在有衣物圖像的屏幕上滑動(dòng)手指，系統(tǒng)就可以模擬出衣物的紋理，使客戶感受到商品的質(zhì)地。這將會(huì)為我們的生活帶來很多的方便。計(jì)算機(jī)觸覺技術(shù)是如何讓我們坐在家里就能“觸摸”世界的？這項(xiàng)技術(shù)將在哪些領(lǐng)域得到應(yīng)用？未來會(huì)朝著什么樣的方向發(fā)展？在中國人心中，每年央視春節(jié)聯(lián)歡晚會(huì)都是一桌充滿話題的文化 “年夜飯”，春晚應(yīng)用的新科技也會(huì)成為人們談?wù)摰慕裹c(diǎn)。今年春晚利用電腦

2、模擬制造的視覺效果，讓不少觀眾眼前一亮，計(jì)算機(jī)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)就此成為科技迷關(guān)注的熱點(diǎn)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)際上是一種借由計(jì)算機(jī)制造出一個(gè)虛擬世界，讓使用者獲得身臨其境感覺的新技術(shù)，視覺增強(qiáng)只是其中的一個(gè)分支。很快，包括視覺、聽覺、味覺、嗅覺在內(nèi)的多感官模擬技術(shù)，也將成為未來計(jì)算機(jī)發(fā)展的主要方向。今天我們請(qǐng)專家談一談上述感官模擬技術(shù)中最為令人驚奇的計(jì)算機(jī)觸覺技術(shù)。計(jì)算機(jī)觸覺交互技術(shù)可實(shí)現(xiàn)“隔空”探物遼寧日?qǐng)?bào)：王教授，計(jì)算機(jī)觸覺技術(shù)都能模擬哪些感覺體驗(yàn)？王黨校：計(jì)算機(jī)觸覺或稱觸（力）覺交互技術(shù)，可以使操作者通過運(yùn)動(dòng)或力等形式感知虛擬環(huán)境中物體的粗糙度、紋理、溫度、振動(dòng)和剛度、硬度、重量以及操作力等豐富的外

3、界環(huán)境信息，從而使操作者體驗(yàn)到如同操作真實(shí)物體的觸（力）覺感知效果。 遼寧日?qǐng)?bào)：您能具體介紹一下這項(xiàng)技術(shù)的工作原理嗎？王黨校：好的。計(jì)算機(jī)觸覺系統(tǒng)由觸（力）覺反饋設(shè)備、虛擬交互環(huán)境以及操作者構(gòu)成。操作者直接操作觸（力）覺反饋設(shè)備，虛擬交互環(huán)境根據(jù)映射的操作者的運(yùn)動(dòng)信息（如位置、速度）以及虛擬交互場(chǎng)景進(jìn)行碰撞檢測(cè)和觸（力）覺渲染等計(jì)算，觸（力）覺反饋設(shè)備將渲染的反饋力施加或作用于操作者?？傮w說來，創(chuàng)造觸覺系統(tǒng)有多種方法。雖然它們看上去可能差別很大，但是大都有兩個(gè)非常重要的共同點(diǎn)當(dāng)操縱者的虛擬形象與物體發(fā)生交互作用時(shí)決定力度大小的軟件，以及可以將作用力反饋給操縱者的設(shè)備。軟件進(jìn)行運(yùn)算的過程被稱作觸

4、覺再現(xiàn)。比如，可以用多面體模型來模擬虛擬世界中的物體，這些三維模型可以準(zhǔn)確刻畫出許多形狀，也可以通過模擬作用力與物體不同面的接觸效果，來計(jì)算觸摸數(shù)據(jù)。這種三維物體可以模擬出各類表面材質(zhì)，上面提到的網(wǎng)購時(shí)，客戶可“隔空”感受衣服的質(zhì)地應(yīng)用的就是這種原理。遼寧日?qǐng)?bào)：從可以提供反饋信息、能夠與人互動(dòng)這個(gè)角度來看，計(jì)算機(jī)觸覺設(shè)備很像是一個(gè)機(jī)器人。王黨校：確實(shí)是這樣。計(jì)算機(jī)觸覺技術(shù)是機(jī)器人科學(xué)技術(shù)中的重要分支。計(jì)算機(jī)將人類的腦力加以延伸，互聯(lián)網(wǎng)使人類的交流打破了空間界限，機(jī)器人將“延長”人類的手，使人類的體力超越空間的界限。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，各種領(lǐng)域中機(jī)器人將成為人類的幫手和“代理”，機(jī)器人和互聯(lián)網(wǎng)

5、的結(jié)合使得人類的腦力和體力得到空前的增長，必將大大提高人類生產(chǎn)效率和生活質(zhì)量。應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛未來生活無“觸”不在遼寧日?qǐng)?bào)：計(jì)算機(jī)觸覺技術(shù)包含的信息是否可以像視頻音頻文件一樣，被我們下載使用？王黨校：這應(yīng)該是不難做到的。在我參加的2012年IEEE觸（力）覺研討會(huì)上，很多外國研究人員已經(jīng)基于錄制播放的思想研究出了一些設(shè)備。比如科學(xué)家瑪格麗特·瑪吉奧等人研制了視覺聽覺觸覺聯(lián)合的訓(xùn)練系統(tǒng)，用來培訓(xùn)醫(yī)學(xué)院學(xué)生進(jìn)行牙齒齲壞組織的感受體驗(yàn)。這種系統(tǒng)，在一個(gè)改進(jìn)的牙科探針上安裝了一個(gè)小型振動(dòng)傳感器和振動(dòng)電機(jī)。在錄制階段，首先由醫(yī)生用探針探診牙齒齲壞組織和刮磨齲齒表面等操作，通過振動(dòng)傳感器記錄探針

6、的振動(dòng)信號(hào)，通過麥克風(fēng)和攝像頭同步記錄聲音和操作過程。在播放階段，學(xué)生手持探針，可以同時(shí)獲得視覺聽覺觸覺的反饋，從而更直觀地體會(huì)牙齒齲壞組織的操作感受。如果稍加整合加工，將視覺聽覺觸覺信息數(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)上，那么人人都可以下載使用這樣的資源。遼寧日?qǐng)?bào)：想必計(jì)算機(jī)觸覺技術(shù)未來會(huì)在生活中得到廣泛使用。然而我們更關(guān)心的是它最近的應(yīng)用都有哪些，您能為我們介紹一下嗎？王黨校：計(jì)算機(jī)觸覺技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、觸覺心理學(xué)和機(jī)器人技術(shù)密切相關(guān)。目前，計(jì)算機(jī)觸覺技術(shù)的研究和應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在：手術(shù)模擬、機(jī)器人主從控制、產(chǎn)品虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)、游戲和娛樂、科學(xué)計(jì)算可視化等。 遼寧日?qǐng)?bào)：請(qǐng)您具體談一談。王黨校：好的。這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用

7、于醫(yī)療領(lǐng)域，可以構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)的手術(shù)模擬和培訓(xùn)系統(tǒng)，從而提高手術(shù)培訓(xùn)的逼真度和降低成本。實(shí)際上，世界上很多國家的大學(xué)、研究所都已經(jīng)從不同角度開展了其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究。比如，加州大學(xué)伯克利分校的研究人員開發(fā)出了一種新的觸覺虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，模擬工具與軟組織交互的手術(shù)過程，并且作為操作接口控制手術(shù)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)還可以被應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)的主從操作和遙操作，給位于異地的操作者提供力覺信息，模擬其臨場(chǎng)操作的觸覺感知，以提高操作質(zhì)量和效率。美國國家航空航天局、德國宇航局等單位已經(jīng)將它應(yīng)用在機(jī)器人遙操作中，輔助操作人員更好地完成艱巨的科學(xué)任務(wù)。此外，國外一些公司還依據(jù)計(jì)算機(jī)觸覺技術(shù)開發(fā)了輔助藝術(shù)家進(jìn)

8、行虛擬雕刻的設(shè)備。波音公司在飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)過程中，采用力覺顯示模擬座艙內(nèi)操作設(shè)備的碰撞檢測(cè)和操作友好性測(cè)試。有的公司還開發(fā)出了力反饋鼠標(biāo)和力反饋數(shù)據(jù)手套，可以方便地集成到游戲軟件中，為增強(qiáng)游戲逼真度和趣味性提供了極富潛力的途徑。計(jì)算機(jī)觸覺技術(shù)的發(fā)展促使人類更加了解自己遼寧日?qǐng)?bào)：目前計(jì)算機(jī)觸覺技術(shù)有哪些研究熱點(diǎn)？王黨校：情感計(jì)算與觸（力）覺交互的結(jié)合將會(huì)是未來幾年的研究熱點(diǎn)之一。新加坡國立大學(xué)的專家研制的觸（力）覺夾克可以用來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交流中的擁抱式觸（力）覺反饋。這種夾克由多個(gè)獨(dú)立的氣動(dòng)模塊控制，通過充氣和排氣模擬人體擁抱感受。我們可以想象不久后人們不光可以在線視頻，還可以在線擁抱。能夠獲得遠(yuǎn)方

9、親人熱情的擁抱，對(duì)于那些遠(yuǎn)離親人的用戶，將是多么大的情感慰藉。寵物是人類的好朋友，能夠幫助人驅(qū)散孤獨(dú)。因此有人發(fā)明了一種具有觸覺感知能力的機(jī)器寵物，它可以通過傳感器感知人的觸摸，并能夠通過身體的起伏模擬呼吸和表達(dá)情緒。如果有這樣一個(gè)寵物實(shí)現(xiàn)人和機(jī)器動(dòng)物之間基于觸覺的感情交流，那么很多人的焦慮情緒將得到緩解。此外，觸（力）覺人機(jī)交互、觸（力）覺錄制播放等都將形成研究熱點(diǎn)。遼寧日?qǐng)?bào)：您能為我們預(yù)測(cè)一下這項(xiàng)技術(shù)未來的整體方向嗎？王黨校：計(jì)算機(jī)觸覺技術(shù)是新一代人和計(jì)算機(jī)交互的關(guān)鍵技術(shù)。計(jì)算機(jī)從問世以來，一直朝著便利于人類使用的方向發(fā)展。從紙帶輸入、鍵盤輸入到廣泛使用的鼠標(biāo)輸入，人機(jī)交互朝著自然、高效的

10、方向發(fā)展。當(dāng)前技術(shù)下使計(jì)算機(jī)變得更有效的瓶頸不在于計(jì)算速度和圖像顯示，而在于和人交互的信息帶寬，這只能通過先進(jìn)的人機(jī)接口來實(shí)現(xiàn)。未來的計(jì)算機(jī)除了GUI（圖形用戶界面），還會(huì)產(chǎn)生HUI（觸覺用戶界面）、語音輸入、眼動(dòng)輸入等。HUI不同于GUI等傳統(tǒng)人機(jī)交互方式的特點(diǎn)是人機(jī)之間不再是人-機(jī)信息的單向流動(dòng)，而是雙向的流動(dòng)過程。使用者將真正體會(huì)到和虛擬世界的交互。因此力覺和觸覺反饋的研究必將促進(jìn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和硬件、軟件技術(shù)的發(fā)展。 從另外一個(gè)角度講，這項(xiàng)技術(shù)包含機(jī)器人學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人類生理學(xué)和心理學(xué)等學(xué)科的知識(shí)。要真實(shí)模擬人所感受的力和觸覺，必須了解人類觸覺和力覺感受機(jī)理。人的運(yùn)動(dòng)空間

11、、身體各部分所能感受的力和力矩的范圍和分辨率、人對(duì)于不同性質(zhì)力信號(hào)的感知能力的差異、人的心理因素等都是與力覺和觸覺反饋密切相關(guān)的問題。因此力覺和觸覺反饋的研究必將促進(jìn)對(duì)于人類自身的認(rèn)識(shí)和理解。采訪感言廣告中經(jīng)常提到 “科技以人為本”這句話。確實(shí)，每一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生的原動(dòng)力都是為了滿足人類的需求，方便人類的生活。然而從另外一個(gè)角度看，每當(dāng)人們?nèi)〉媚稠?xiàng)技術(shù)階段性進(jìn)步的時(shí)候，卻同樣也是這項(xiàng)技術(shù)再次向人類提出更深刻問題的時(shí)刻。正如計(jì)算機(jī)觸覺技術(shù)的發(fā)展，將為我們未來的生活帶來極大方便，同時(shí)它也要求我們不斷挖掘人類自身的觸覺和力覺感受機(jī)理，敦促人類繼續(xù)不斷深入探求“我是誰？ ”這一問題的答案。專家檔案王黨

12、校 博士。北京航空航天大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和機(jī)器人研究所副教授。中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)會(huì)員，IEEE （美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）高級(jí)會(huì)員，IEEE機(jī)器人學(xué)會(huì)觸覺技術(shù)專業(yè)委員會(huì)副主席，北京市科技新星。主持國家自然科學(xué)基金 “基于雙模式觸覺交互的靈巧動(dòng)作技能訓(xùn)練方法研究”、國家863計(jì)劃 “面向手眼協(xié)調(diào)操作的觸（力）覺合成和視覺-力覺融合再現(xiàn)技術(shù)”等多項(xiàng)科研項(xiàng)目。主要研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)觸覺、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、智能機(jī)器人技術(shù)。行業(yè)概況：北京傲唯刃道科技有限公司甘健先生認(rèn)為：供求關(guān)系是一個(gè)行業(yè)能否快速發(fā)展的前提。目前來看，市場(chǎng)需求是很大的，而供應(yīng)方面卻略顯不足，尤其是擁有核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)，專利產(chǎn)品及服

13、務(wù)質(zhì)量過硬的企業(yè)并不多，行業(yè)整體缺乏品牌效應(yīng)。在需求旺盛的階段，行業(yè)需求巨大，發(fā)展前景好，這是毋庸置疑的。但如何保持行業(yè)的健康，穩(wěn)定且可持續(xù)發(fā)展，需要業(yè)內(nèi)企業(yè)的共同努力，尤其需要發(fā)揮吃毛求疵的研發(fā)精神，進(jìn)一步提高研發(fā)技藝，降低成本，真正解決客戶的實(shí)際困難，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，提供最可靠的產(chǎn)品及服務(wù)。當(dāng)前，北京傲唯刃道科技有限公司比較關(guān)注的領(lǐng)域包括：（AR、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、VR、 虛擬現(xiàn)實(shí)、 多點(diǎn)觸摸、 多點(diǎn)觸控、云技術(shù)、 云端、云智慧、數(shù)字沙盤、 電子沙盤、數(shù)字城市 、數(shù)字社區(qū)、數(shù)碼城市 、智慧城市、互聯(lián)網(wǎng)城市 、數(shù)字地產(chǎn)、虛擬旅游、數(shù)字旅游、汽車仿真 、 軍事仿真、 多媒體沙盤、 互動(dòng)沙盤、數(shù)字家庭、數(shù)字農(nóng)業(yè)、數(shù)字地球、數(shù)字校園、地理信息系