力反饋

2015-09-01 13:07:21
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所謂力反饋(Force Feedback),本來是應用于軍事上的一種虛擬現實技術,它利用機械表現出的反作用力,將游戲數據通過力反饋設備表現出來,可以讓用戶身臨其境地體驗游戲中的各種效果。

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力反饋機械手

簡介

所謂力反饋(Force Feedback),本來是應用于軍事上的一種虛擬現實技術,它利用機械表現出的反作用力,將游戲數據通過力反饋設備表現出來,可以讓用戶身臨其境地體驗游戲中的各種效果。 力反饋技術能將游戲中的數據轉化成用戶可以感覺到的效果,例如道路上的顛簸或者轉動方向盤感受到的反作用力,這些效果都是力反饋控制芯片“播放”出來的。

概述

  要注意的是我們平常所見的“振動手柄”使用的并不是力反饋技術。我們正文中所說的Dual Shock手柄,它是用手柄中的兩個電動機以及兩個大小不同的轉子,來組合模擬出各種或大或小,不同規律的振動。其實在振動手柄中Dual Shock是表現最好的,因為它已經可以模擬出一些不錯的振動效果,最可怕是那種打著“振動手柄”的名字,實際是靠游戲中的聲音大小來進行判斷的“音響振動”。也就是說,聲音大它的振動就大,聲音小它的振動就小,大家在選用振動手柄時一定要注意這種手柄。  力反饋技術相比要復雜得多,設備的X軸和Y軸等部分分別通過齒輪或者鋼線連接到電動機,而電動機則根據專用力反饋芯片發送的信號來工作。根據游戲給力反饋芯片發出的指令,它可以模擬出真實的操縱感,而不是簡單的振動。比如,行駛在木橋和越野賽道上完全是不同的感覺,根據賽車速度的不同,力反饋芯片會根據游戲中提供的數據計算出方向盤上的反作用力,所以在不同速度下轉動方向盤所需要的力度也是不一樣的。

不同力反饋技術的區別

現在民用級力反饋的技術主要掌握在Immersion與微軟兩家公司手中。Immersion公司推行它的i-Force協議,提供i-Force API接口,i-Force協議是一個開放式協議,所有的游戲設備制造廠家都可以使用。事實上羅技、SAITEK等多數外設廠商使用的都是Immersion的技術,在它們的驅動面板上也都有Immersion的Logo,這也是判斷外設是否使用了真正的力反饋技術的有效辦法之一。  Immersion也提供i-Force力反饋芯片,它是一種觸覺處理芯片,與圖形加速芯片和聲音處理芯片類似,只不過它是專為支持力反饋的計算機周邊設備設計的,可以提供加速、優化等功能,使其模擬現實的效果更加流暢、逼真。  在傳動方面,Immersion主要采用的是電動機帶動鋼纜進行力的線性傳動。在力反饋芯片接收游戲的控制信號后,就要將它轉換成對應的一組波形數據并發送給電動機控制芯片,而電動機會根據相應波形數據進行力的傳動,來實現力反饋效果。鋼纜線性傳動的效果細膩且敏銳,其振動頻率可達每秒250次,但其成本較高。而在使用時間長了以后,鋼纜會因為受到反復拉扯而伸長,造成靈敏度降低,而且萬一鋼纜斷裂的話,力反饋效果也就失靈了。微軟應用  微軟則是支持ActiveX(DirectX)的API接口,使用Sidewinder FF協議。但出人意料的是微軟并沒有開放Sidewinder FF協議,所以市場上支持Sidewinder FF標準協議的游戲控制器主要由微軟自己生產。在傳動方面采用的是“齒輪傳動技術”。它的成本較低,效果也很不錯,但在長期高強度使用后,連續振動時可能出現齒輪打滑。由于相互磨損,在齒輪的“牙”之間的細小的間隙會隨著使用時間的增長而變得越來越大,如果齒輪本身材質不是特別好,還有可能會造成齒崩裂。

新應用

除此以外,新一代力反饋感應技術也已經出現了,比如:i-Touch觸覺感應技術,它主要用在鼠標或軌跡球等產品中,記得曾經大肆宣傳的動感旋貂嗎?通過i-Touch我們“觸摸”到圖像的邊框或者體驗“拖放”文件的不同感受。目前它也應用到了不少搖桿和方向盤中提供更細膩的力反饋感覺。還有一種動作感應技術(G-Tilt)可以將玩家的動作轉化成游戲指令,從而控制游戲,由于這種設備價格高昂,而我們這次主要是介紹中檔游戲外設,因此就不再贅述了。

 

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通過外接的力反饋輸出設備手術中的力反饋

手術中的力反饋

近幾年研發出來的虛擬手術系統,為醫生提供一個虛擬的3D環境以及可交互操作平臺,逼真的模擬臨床手術的全過程。與傳統的手術教學相比,虛擬手術具有無損傷性、可重復性和可指定性等優點。但是,該領域的大部分研究僅限于仿真的可視化階段,由于缺乏觸覺效果,醫生在虛擬環境下完成的手術與臨床環境差別很大。為了解決上述難題,力反饋概念引入虛擬手術系統,通過對手術器械和軟組織等形變過程進行實時數值計算,模擬出軟組織的變形情況和器械受力狀態,并通過外接的力反饋輸出設備,使醫生在手術操作中,感知到反饋力的存在,更好的達到臨床手術的訓練效果。

力反饋關注的問題

一般而言,如果手術器械未侵蝕(刺入或切割)皮膚等軟組織,它們相互間的作用力可分為兩種:手術器械對軟組織表面的正壓力和對其相對運動產生的切向力(摩擦力)。為了更加真實的模擬出反饋力的效果,必須解決以下兩方面的科學難題:1)建立介入器械與軟組織作用的力學模型。目前,由于建模簡單和計算量小的特點,虛擬手術中力反饋的計算大多采用彈簧阻尼模型,即根據手術器械侵入軟組織的深度和速度,計算出末端反饋力的大小。2)設計數值模擬算法,實時模擬軟組織的形變情況和器械末端的受力狀態。質點彈簧模型是將軟組織離散為一組以彈簧相連的質點網格,根據彈簧的彈性系數計算出軟組織形變效果。由于質點彈簧模型和有限元模型自身存在的缺點,這兩種方法很難應用于虛擬手術反饋力的計算。

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