力反馈

什么是力反馈,力反馈有什么作用?

什么是力反馈,力反馈有什么作用?

1、 概述

什么是力反馈,力反馈有什么作用?所谓力反馈(Force Feedback),本来是应用于军事上的一种虚拟现实技术,它利用机械表现出的反作用力,将游戏数据通过力反馈设备表现出来,可以让用户身临其境地体验游戏中的各种效果。 力反馈技术能将游戏中的数据转化成用户可以感觉到的效果,例如道路上的颠簸或者转动方向盘感受到的反作用力,这些效果都是力反馈控制芯片“播放”出来的。【1】

 


 

2、 技术特点

 

要注意的是我们平常所见的“振动手柄”使用的并不是力反馈技术。我们正文中所说的Dual Shock手柄,它是用手柄中的两个电动机以及两个大小不同的转子,来组合模拟出各种或大或小,不同规律的振动。其实在振动手柄中Dual Shock是表现最好的,因为它已经可以模拟出一些不错的振动效果,最可怕是那种打着“振动手柄”的名字,实际是靠游戏中的声音大小来进行判断的“音响振动”。

也就是说,声音大它的振动就大,声音小它的振动就小,大家在选用振动手柄时一定要注意这种手柄。 力反馈技术相比要复杂得多,设备的X轴和Y轴等部分分别通过齿轮或者钢线连接到电动机,而电动机则根据专用力反馈芯片发送的信号来工作。根据游戏给力反馈芯片发出的指令,它可以模拟出真实的操纵感,而不是简单的振动。比如,行驶在木桥和越野赛道上完全是不同的感觉,根据赛车速度的不同,力反馈芯片会根据游戏中提供的数据计算出方向盘上的反作用力,所以在不同速度下转动方向盘所需要的力度也是不一样的。

 

所谓力反馈(Force Feedback),本来是应用于军事上的一种虚拟现实技术,它利用机械表现出的反作用力,将游戏数据通过力反馈设备表现出来,可以让用户身临其境地体验游戏中的各种效果。适用于虚拟会议、虚拟模型、维持路径规划、多媒体和分子模型化等诸多应用领域。

力反馈技术能将游戏中的数据转化成用户可以感觉到的效果,例如道路上的颠簸或者转动方向盘感受到的反作用力,这些效果都是力反馈控制芯片“播放”出来的。

但要注意的是我们平常所见的“振动手柄”使用的并不是力反馈技术。我们正文中所说的Dual Shock手柄,它是用手柄中的两个电动机以及两个大小不同的转子,来组合模拟出各种或大或小,不同规律的振动。其实在振动手柄中Dual Shock是表现最好的,因为它已经可以模拟出一些不错的振动效果,最可怕是那种打着“振动手柄”的名字,实际是靠游戏中的声音大小来进行判断的“音响振动”。也就是说,声音大它的振动就大,声音小它的振动就小,大家在选用振动手柄时一定要注意这种手柄。

力反馈技术相比要复杂得多,设备的X轴和Y轴等部分分别通过齿轮或者钢线连接到电动机,而电动机则根据专用力反馈芯片发送的信号来工作。根据游戏给力反馈芯片发出的指令,它可以模拟出真实的操纵感,而不是简单的振动。比如,行驶在木桥和越野赛道上完全是不同的感觉,根据赛车速度的不同,力反馈芯片会根据游戏中提供的数据计算出方向盘上的反作用力,所以在不同速度下转动方向盘所需要的力度也是不一样的。

 


 

3、 技术区别

 

现在民用级力反馈的技术主要掌握在Immersion与微软两家公司手中。Immersion公司推行它的i-Force协议,提供i-Force API接口,i-Force协议是一个开放式协议,所有的游戏设备制造厂家都可以使用。事实上罗技、SAITEK等多数外设厂商使用的都是Immersion的技术,在它们的驱动面板上也都有Immersion的Logo,这也是判断外设是否使用了真正的力反馈技术的有效办法之一。

Immersion也提供i-Force力反馈芯片,它是一种触觉处理芯片,与图形加速芯片和声音处理芯片类似,只不过它是专为支持力反馈的计算机周边设备设计的,可以提供加速、优化等功能,使其模拟现实的效果更加流畅、逼真。 在传动方面,Immersion主要采用的是电动机带动钢缆进行力的线性传动。

在力反馈芯片接收游戏的控制信号后,就要将它转换成对应的一组波形数据并发送给电动机控制芯片,而电动机会根据相应波形数据进行力的传动,来实现力反馈效果。钢缆线性传动的效果细腻且敏锐,其振动频率可达每秒250次,但其成本较高。而在使用时间长了以后,钢缆会因为受到反复拉扯而伸长,造成灵敏度降低,而且万一钢缆断裂的话,力反馈效果也就失灵了。微软应用 微软则是支持ActiveX(DirectX)的API接口,使用Sidewinder FF协议。

但出人意料的是微软并没有开放Sidewinder FF协议,所以市场上支持Sidewinder FF标准协议的游戏控制器主要由微软自己生产。在传动方面采用的是“齿轮传动技术”。它的成本较低,效果也很不错,但在长期高强度使用后,连续振动时可能出现齿轮打滑。由于相互磨损,在齿轮的“牙”之间的细小的间隙会随着使用时间的增长而变得越来越大,如果齿轮本身材质不是特别好,还有可能会造成齿崩裂。

 

 


 

4、 技术应用

 

除此以外,新一代力反馈感应技术也已经出现了,比如:i-Touch触觉感应技术,它主要用在鼠标或轨迹球等产品中,记得曾经大肆宣传的动感旋貂吗?通过i-Touch我们“触摸”到图像的边框或者体验“拖放”文件的不同感受。目前它也应用到了不少摇杆和方向盘中提供更细腻的力反馈感觉。还有一种动作感应技术(G-Tilt)可以将玩家的动作转化成游戏指令,从而控制游戏,由于这种设备价格高昂,而我们这次主要是介绍中档游戏外设,因此就不再赘述了。
通过外接的力反馈输出设备手术中的力反馈

手术中的力反馈

近几年研发出来的虚拟手术系统,为医生提供一个虚拟的3D环境以及可交互操作平台,逼真的模拟临床手术的全过程。与传统的手术教学相比,虚拟手术具有无损伤性、可重复性和可指定性等优点。但是,该领域的大部分研究仅限于仿真的可视化阶段,由于缺乏触觉效果,医生在虚拟环境下完成的手术与临床环境差别很大。为了解决上述难题,力反馈概念引入虚拟手术系统,通过对手术器械和软组织等形变过程进行实时数值计算,模拟出软组织的变形情况和器械受力状态,并通过外接的力反馈输出设备,使医生在手术操作中,感知到反馈力的存在,更好的达到临床手术的训练效果。

 

微软则是支持ActiveX(DirectX)的API接口,使用Sidewinder FF协议。但出人意料的是微软并没有开放Sidewinder FF协议,所以市场上支持Sidewinder FF标准协议的游戏控制器主要由微软自己生产。在传动方面采用的是“齿轮传动技术”。它的成本较低,效果也很不错,但在长期高强度使用后,连续振动时可能出现齿轮打滑。由于相互磨损,在齿轮的“牙”之间的细小的间隙会随着使用时间的增长而变得越来越大,如果齿轮本身材质不是特别好,还有可能会造成齿崩裂。【2】

除此以外,新一代力反馈感应技术也已经出现了,比如:i-Touch触觉感应技术,它主要用在鼠标或轨迹球等产品中,记得曾经大肆宣传的动感旋貂吗?通过i-Touch我们“触摸”到图像的边框或者体验“拖放”文件的不同感受。目前它也应用到了不少摇杆和方向盘中提供更细腻的力反馈感觉。还有一种动作感应技术(G-Tilt)可以将玩家的动作转化成游戏指令,从而控制游戏,由于这种设备价格高昂,而我们这次主要是介绍中档游戏外设,因此就不再赘述了。

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可以很快打破虚拟现实体验沉浸感的一件事情是,当你试图抓取一件物体时却没有感受到任何的触觉反馈。近日,微软研究院的一支团队演示了一项技术,可以让手指触摸到虚拟物体表面,并通过机械激活方式来感受到物体的形状。

目前大部分VR体验的触觉反馈都是通过游戏控制器的震动实现,而微软的NormalTouch和TextureTouch会向用户提供更多的信息。这些外设会模拟出任意时刻下手指的触觉,而不是虚拟物体的完整物理重现。

据MS Power User报道,NormalTouch会通过可倾式挤压平台来渲染出物体表面的触觉;TextureTouch则使用16个制动针的阵列来精确呈现物体的纹理细节。

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OptiTrack追踪系统会追踪两个控制器的运动,而该团队使用的测试头显为Oculus Rift DK2.
这些设备为用户与周围环境的交互提供了许多不同的方法。研究人员进行的其中一个测试是通过NormalTouch外设来感受物体表面的厚度,从而区分三个可变形物体。

虽然Oculus和Valve都有提供专门的控制器,但两个产品所提供的触觉连接都不能媲美微软的最新研究,所以像NormalTouch和TextureTouch这样的硬件可能会为VR开发者提供新的灵感。
 

目前这些外设在真实环境下的效果还有待观察。用户毫无疑问会为VR设备购买更多的硬件,但微软并没有透露如果这种技术作为零售产品进行销售,其具体成本会是多少。

 


 

5、 未来前景

 

一般而言,如果手术器械未侵蚀(刺入或切割)皮肤等软组织,它们相互间的作用力可分为两种:手术器械对软组织表面的正压力和对其相对运动产生的切向力(摩擦力)。为了更加真实的模拟出反馈力的效果,必须解决以下两方面的科学难题:1)建立介入器械与软组织作用的力学模型。

目前,由于建模简单和计算量小的特点,虚拟手术中力反馈的计算大多采用弹簧阻尼模型,即根据手术器械侵入软组织的深度和速度,计算出末端反馈力的大小。2)设计数值模拟算法,实时模拟软组织的形变情况和器械末端的受力状态。质点弹簧模型是将软组织离散为一组以弹簧相连的质点网格,根据弹簧的弹性系数计算出软组织形变效果。由于质点弹簧模型和有限元模型自身存在的缺点,这两种方法很难应用于虚拟手术反馈力的计算。

 

 


 

6、 参考资料

1、力反馈虚拟现实设备沉浸式虚拟现实–87870新闻中心 87870[引用日期2016-04-4]

2、微软力反馈技术:可以让你感受到虚拟物体 网易[引用日期2016-04-7]

 

 

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