触觉再现可以提供丰富的触觉感受,实现真实的沉浸感,近年来是国内外人机交互领域的一个研究热点。目前应用到移动终端的力触觉再现技术主要有静电力触觉再现技术、空气压膜触觉再现技术和机械振动触觉再现技术,但基于单一力反馈机制的触觉再现技术因自身触觉反馈力的范围和维度限制以及触觉感受不丰富导致无法满足触觉再现真实感的需求。国际进而研究了融合多种力反馈机制的触觉再现装置及渲染方法,并证明了融合多种力反馈机制的渲染方法在图形图像方面能有效地改善触觉再现效果。本文在此基础上继续研究基于静电力、空气压膜和机械振动的触觉再现融合机制、触觉再现装置特性以及触觉再现渲染方法,进一步研究出能提高触觉再现真实感的新渲染方法,重点针对3D特征(凸起、凹陷、几何图形等三维形状)、图像轮廓和纹理等渲染问题。本文的主要贡献及创新如下:(1)根据静电力、空气压膜与机械振动的触觉再现原理,从触觉再现装置及渲染算法论证这三种触觉再现技术融合的可行性;依据人们对融合静电力、空气压膜和机械振动的触觉再现装置(三元融合触觉再现装置)的功能需求,完成三元融合触觉再现装置的开发,设计下位机与上位机的通信协议,编写上位机的控制界面及相应的通信程序,实现三元融合触觉再现装置的硬件驱动。本文进而评测此装置的性能,如驱动信号幅度和频率的误差范围、触觉再现系统的延时以及机械振动的驱动信号幅度和频率对静电力和空气压膜的绝对阈值和分辨阈值的影响,为后续触觉再现渲染方法参数选取提供理论依据。(2)提出融合静电力、空气压膜与机械振动的3D特征触觉再现渲染方法,在静电力触摸屏上实现,十二名实验者的主观感知评价结果表明本文所提渲染方法能渲染的3D最大高度为4.2mm,并且在空间波长为40~50mm时3D触觉再现效果最好。此渲染方法包括感知模型建立、3D特征提取和驱动信号参数映射三个部分:分别建立静电力、空气压膜和机械振动的驱动信号幅度与触觉感知强度以及静电力的驱动信号频率与粗糙度的感知模型;根据梯度信息的变化与3D边缘所受切向力大小的变化趋势相同,建立静电力和空气压膜的感知强度与梯度信息之间的映射模型;根据深度信息的变化与3D真实高度的变化趋势相同,建立机械振动的感知强度与深度信息之间的映射模型。通过十二名实验者的正确识别率表明本文所提渲染方法有效地提高了3D特征的触觉再现真实感。本文进而研究所提渲染方法能渲染的3D最大高度以及3D空间波长对触觉渲染能力的影响。(3)提出融合静电力、空气压膜与机械振动的图像轮廓和纹理触觉渲染方法,在静电力触摸屏上实现,十二名实验者的主观评分感知实验结果表明,和基于静电力与机械振动(5.43分)及基于静电力与空气压膜(5.18分)相比,本文提出的渲染方法(7.65分)改善了图像轮廓和纹理的触觉再现效果。此渲染方法具体实现过程如下:利用Canny算法将图像的轮廓信息和纹理信息分离;依据轮廓信息表征图像的大体走势和边缘变化,建立静电力和空气压膜的驱动信号幅度与图像轮廓的梯度信息之间的映射模型;依据纹理信息表征图像表面的粗糙度,分别建立机械振动的驱动信号幅度以及静电力的驱动信号频率与图像纹理的高度信息之间的映射模型。十二个实验者在不同的渲染方法下对六幅不同图像进行十分制的主观打分感知实验。本文从基础理论、硬件装置、融合机制特性、渲染算法等方面对融合静电力、空气压膜与机械振动的触觉再现技术进行研究,为实现移动终端的触觉真实感再现提供理论参考。