车载终端界面虚拟按键的视触融合渲染方法及装置

本发明属于触觉再现，具体涉及一种车载终端界面虚拟按键的视触融合渲染方法及装置。

背景技术：

1、随着汽车智能化和网联化水平的不断提升，车载终端触摸屏逐步取代传统物理控件。然而，触摸屏在用户触摸或按压时难以产生类似物理按键的力学反馈，缺乏明确的触觉确认信号。现有基于线性马达等方式的虚拟按键触觉反馈方案虽能提供一定触觉提示，但多侧重于触觉输出本身。

2、目前已有研究从不同角度对虚拟按键触觉反馈进行了探索。论文《perceiveddepth and roughness of virtual buttons with touchscreens》通过改变触觉信号的包络形状、持续时间、频率以及组合波形等参数，研究不同触觉参数对虚拟按键深度感和粗糙度感知的影响。论文《where’s my button? evaluating the user experience ofsurface haptics in featureless automotive user interfaces》则在车载多任务场景下比较了视觉、视触觉等不同反馈条件。研究结果表明，在视觉反馈基础上增加触觉反馈能够改善用户对交互愉悦度、感知精度、品质感和操作信心等方面的主观评价，且多数参与者更偏好多感官反馈方式。

3、然而，上述研究主要分别考察触觉参数对触觉感知的影响，或者通过设置触觉反馈存在或不存在等离散条件比较不同反馈模态的交互效果。目前虚拟按键的视觉反馈与触觉反馈之间缺少基于用户感知强度的定量融合渲染方法。视觉与触觉之间在感知强度上的不一致，会导致用户产生明显的模态割裂感，难以充分发挥多感官整合对人机交互体验的增强作用。因此，亟需提供一种能够实现车载终端界面虚拟按键视觉反馈与触觉反馈融合渲染的方法及装置，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种车载终端界面虚拟按键的视触融合渲染方法及装置，旨在解决现有虚拟按键视觉反馈与触觉反馈缺乏感知强度关联，导致反馈割裂以及操作结果难以准确确认的问题。通过在统一的感知强度维度上对视觉反馈和触觉反馈进行融合渲染，使二者协同表征虚拟按键的交互状态，并根据物理按键的分段力学特征施加触觉反馈，提高虚拟按键的触觉真实感，从而提高车载触摸交互的操作确认性和使用体验。

2、本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：

3、s1：选择参考物理按键并根据其力反馈特性构建虚拟按键的触觉反馈渲染模型，生成标准触觉反馈驱动信号；

4、s2：确定用于表征虚拟按键视觉反馈刺激强度的视觉特征参量和用于表征虚拟按键触觉反馈刺激强度的触觉特征参量；

5、s3：根据步骤s1生成的标准触觉反馈驱动信号，确定其最大不失真驱动信号，并按照预设步长调整驱动信号缩放系数，确定不同驱动信号缩放系数下对应的触觉特征参量，建立触觉特征参量与驱动信号缩放系数之间的映射关系；

6、s4：基于史蒂文斯幂定律分别建立视觉特征参量与视觉感知强度之间的关系，以及触觉特征参量与触觉感知强度之间的关系，以视觉感知强度与触觉感知强度相等作为视触融合条件，建立视觉特征参量与触觉特征参量之间的等强融合关系。根据当前虚拟按键的视觉特征参量计算目标触觉特征参量，并利用步骤s3建立的触觉特征参量与驱动信号缩放系数之间的映射关系确定目标驱动信号缩放系数，对最大不失真驱动信号进行缩放，生成并输出最终的视触融合反馈驱动信号。

7、本发明所述步骤s1的实现方法如下：将参考物理按键的力-位移曲线按照力变化特征划分为平滑区间、跳跃区间和触底区间三类触觉区间，其中所述平滑区间在一次触觉反馈过程中出现一次或多次，虚拟按键触觉反馈渲染模型为：

8、；

9、其中为所述触觉反馈渲染模型输出的标准触觉反馈驱动信号，为单次触觉反馈过程中的时间变量，为触觉反馈信号的总段数，为第j个触觉信号分段对应的触觉反馈驱动信号，为第j个触觉信号分段的模型参数集合，和分别为第j个触觉信号分段的开始和结束时刻；

10、根据所要模拟的物理按键的力-位移曲线的特性以及人体触觉感知特性确定每个触觉信号分段所要使用的触觉反馈驱动信号以及每个触觉信号分段的模型参数，生成标准触觉反馈驱动信号。

11、本发明所述步骤s2中虚拟按键为显示于车载终端触摸屏界面上的可触发控件，包括文字按键、图标按键、圆形按键、矩形按键、异形按键中的一种或多种，用于实现功能确认、参数调节、菜单选择或车载功能控制。

12、本发明所述步骤s2的实现方法如下：根据虚拟按键的视觉反馈类型确定视觉特征参量sv，所述视觉反馈类型包括使虚拟按键的尺寸、颜色、亮度、透明度、对比度的视觉状态发生变化，所述视觉特征参量sv根据所述视觉状态的变化量、变化比例、变化速度、变化持续时间、变化频率、变化面积或其组合值确定；

13、对于触觉特征参量sh的确定，首先获取触觉反馈机制作用于触摸屏或用户手指所产生的触觉响应信号，并根据所述触觉响应信号确定触觉特征参量sh，所述触觉响应信号包括振动位移、振动速度、振动加速度信号、静电吸引力信号、摩擦力信号和摩擦系数信号中的一种或多种，所述触觉特征参量sh为在预设采样时段内对所述触觉响应信号进行计算得到的响应均方根值、峰峰值、均值和积分值中的至少一种。

14、本发明所述步骤s3的实现方法如下：逐级增大由步骤s1所生成的标准触觉反馈驱动信号的整体幅值，并检测信号驱动单元的输出波形及触摸屏表面的振动响应，当所述输出波形或振动响应满足预设失真判据时，将前一缩放级别对应的驱动信号确定为最大不失真驱动信号，以所述最大不失真驱动信号为基准，按照预设步长调整驱动信号缩放系数λ，得到不同缩放级别下的触觉反馈驱动信号，其中0<λ≤1；

15、通过实测、仿真或理论计算获得不同驱动信号缩放系数对应的触觉特征参量，并采用拟合函数或查找表以表征二者之间的映射关系。

16、本发明所述步骤s4的实现方法如下：依据史蒂文斯幂定律，步骤s2确定的视觉特征参量sv与视觉感知强度以及触觉特征参量sh与触觉感知强度之间的关系如下：

17、；

18、其中分别为视觉与触觉感知强度，分别为视觉与触觉感知强度的比例系数；分别为视觉与触觉感知强度的幂指数，所述比例系数与幂指数的具体取值依据视觉反馈类型、触觉反馈类型及人体感知特性通过实验标定确定；

19、以所述视觉感知强度 与触觉感知强度相等作为视触融合条件，建立视觉特征参量与触觉特征参量 之间的等强融合关系：即，对求解，得到视觉特征参量与触觉特征参量之间的强度匹配关系：

20、；

21、通过心理物理学实验确定所述等强融合关系中的比例系数和幂指数，并根据当前虚拟按键的视觉特征参量 计算目标触觉特征参量；

22、根据步骤s3建立的触觉特征参量与驱动信号缩放系数之间的映射关系确定与所述目标触觉特征参量对应的目标驱动信号缩放系数，并根据所述目标驱动信号缩放系数对最大不失真驱动信号进行缩放，生成目标触觉反馈驱动信号：

23、；

24、其中，为最终输出的视触融合反馈驱动信号。

25、一种车载终端界面虚拟按键的视触融合渲染的装置，所述渲染装置为融合静电力、机械振动、空气压膜三种触觉反馈机制的触觉渲染装置，包括触觉显示与定位单元、信息处理单元和信号驱动单元。

26、本发明所述触觉显示与定位单元包括电容屏、压电陶瓷片、定位检测模块、隔振装置和振动马达，所述电容屏用于显示车载终端界面并检测手指触摸位置，且所述电容屏具有静电力触觉反馈功能，压电陶瓷片粘贴于电容屏背面上，用于实现空气压膜触觉反馈功能；所述振动马达通过所述隔振装置安装于所述电容屏或其支撑结构上，用于在所述电容屏表面产生机械振动触觉反馈；所述隔振装置包括弹性隔振件，用于将振动传递至电容屏，并抑制振动向车载终端主机和安装框架扩散。

27、本发明所述信息处理单元设置于车载终端中，包括处理器和存储器，用于输出视觉渲染信号、接收所述触觉显示与定位单元发送的手指接触位置坐标，根据虚拟按键的视觉反馈类型计算视觉特征参量，基于史蒂文斯幂定律计算与所述视觉特征参量在感知强度上匹配的目标触觉特征参量，并根据触觉特征参量与驱动信号缩放系数之间的映射关系确定目标驱动信号缩放系数。

28、本发明所述信号驱动单元包括信号发生器与功率放大器，用于根据信息处理单元发送的触觉反馈驱动信号的控制参数生成视触融合反馈驱动信号，并将所述信号经功率放大后输出至所述触觉显示与定位单元中的电容屏、压电陶瓷片和振动马达。

29、本发明的优点在于：

30、1.本发明基于史蒂文斯幂定律建立视觉感知强度与触觉感知强度之间的定量关系，根据虚拟按键视觉反馈强度确定目标触觉反馈强度，实现视觉反馈与触觉反馈在感知强度维度上的融合渲染，从而使两种反馈能够协同表达虚拟按键的按压状态，避免视觉反馈强弱与触觉反馈强弱不协调。

31、2.本发明参考物理按键在按压过程中的力反馈特性生成触觉反馈渲染信号，使触觉反馈能够随虚拟按键的按压阶段动态变化，克服固定强度或预设波形难以表现按键行程及力感变化的不足，提高虚拟按键触感的真实感。

32、3.通过视觉反馈与触觉反馈的协同输出，本发明能够更加清晰地表征虚拟按键的按压状态和触发结果，提高车载触摸交互的操作确认性和使用体验。