题目：增强现实训练系统中力视觉融合显示技术研究

论文设计了支持力觉-视觉融合显示的增强现实系统硬件平台，研究了力觉-视觉空间配准的方法，探索了面向复杂物体的力觉渲染方法。研究成果应用到牙科手术模拟训练系统中，为受训者提供了手眼协调操作的手术模式，保证了全口腔内探诊手术的力觉渲染实时性。受训者在虚拟手术操作过程中，能够感受到融合显示的力觉-视觉信息，沉浸感得到增强，将收获更好的培训体验。设计支持力觉-视觉融合显示的增强现实系统硬件平台。选定光学透视式作为增强现实系统实现方案，根据需求分析确定硬件平台技术指标。运用光学原理和人机工程学理论，对硬件平台进行设计和优化。运用MatLab对关键参数进行计算和仿真验证，基于SolidWorks建立硬件平台虚拟样机。通过对半反射镜和显示器的选型，搭建物理样机。研究增强现实系统中力觉-视觉空间配准问题。从力觉、视觉信息的渲染机理和传递过程进行分析，确定配准判据并推导配准方法。分析系统坐标系构成情况，确定系统坐标系变换矩阵集合。设计基于FARO测量臂的空间配准实验，对目标变换矩阵集进行标定。建立误差分析模型，考察配准方法各局部误差对系统误差的影响，提出了减小误差的方法。通过实验评价了系统力觉-视觉空间配准精度。讨论面向复杂物体的多分辨率力觉渲染方法。依据课题背景“口腔内的力觉探诊”对复杂物体进行定义，锁定问题核心复杂物体力觉渲染实时性问题。通过实验设计与算法研究，确定影响复杂物体力觉渲染实时性的关键因素为交互速度。建立支持力觉交互的静态LOD（Level of Detail）模型和速度驱动模型，构建速度驱动的LOD力觉渲染算法，运用SCP（Surface Contact Point）层级映射算法避免模型层级切换时力信号的振动。实验结果表明，算法一定程度上解决了复杂模型的实时力觉交互问题，对于凹凸区域共存的曲面模型亦适用。通过系统实验，搭建了面向口腔的牙面探诊手术训练平台，验证本文研究成果对于依托课题的贡献和支持。基于增强现实硬件平台及力觉-视觉空间配准技术成功构建手眼协调操作的训练模式，基于多分辨率力觉渲染方法实现了复杂口腔模型内的稳定探诊操作。实验表明，无论针对单颗牙齿的慢速精细探查，或是针对全口腔的快速粗略探查，操作者均能正确感知牙齿的轮廓、硬度等物理信息，达到牙科探诊训练的目的。