在中国人心中，每年央视春节联欢晚会都是一桌充满话题的文化 “年夜饭”，春晚应用的新科技也会成为人们谈论的焦点。今年春晚利用电脑模拟制造的视觉效果，让不少观众眼前一亮，计算机增强现实技术就此成为科技迷关注的热点。增强现实技术实际上是一种借由计算机制造出一个虚拟世界，让使用者获得身临其境感觉的新技术，视觉增强只是其中的一个分支。很快，包括视觉、听觉、味觉、嗅觉在内的多感官模拟技术，也将成为未来计算机发展的主要方向。

　　计算机触觉技术渐渐走入我们的生活，IBM（国际商业机器）公司甚至预测未来几年内，将会把这项技术广泛应用到电脑上。比如在线购物时，商家将使用触觉技术让客户提前“触摸”商品：购物者在有衣物图像的屏幕上滑动手指，系统就可以模拟出衣物的纹理，使客户感受到商品的质地。这将会为我们的生活带来很多的方便。计算机触觉技术是如何让我们坐在家里就能“触摸”世界的？这项技术将在哪些领域得到应用？未来会朝着什么样的方向发展？

　　计算机触觉交互技术可实现“隔空”探物

　　王教授，计算机触觉技术都能模拟哪些感觉体验？

　　王党校：计算机触觉或称触（力）觉交互技术，可以使操作者通过运动或力等形式感知虚拟环境中物体的粗糙度、纹理、温度、振动和刚度、硬度、重量以及操作力等丰富的外界环境信息，从而使操作者体验到如同操作真实物体的触（力）觉感知效果。

　　您能具体介绍一下这项技术的工作原理吗？

　　王党校：好的。计算机触觉系统由触（力）觉反馈设备、虚拟交互环境以及操作者构成。操作者直接操作触（力）觉反馈设备，虚拟交互环境根据映射的操作者的运动信息（如位置、速度）以及虚拟交互场景进行碰撞检测和触（力）觉渲染等计算，触（力）觉反馈设备将渲染的反馈力施加或作用于操作者。

　　总体说来，创造触觉系统有多种方法。虽然它们看上去可能差别很大，但是大都有两个非常重要的共同点——当操纵者的虚拟形象与物体发生交互作用时决定力度大小的软件，以及可以将作用力反馈给操纵者的设备。软件进行运算的过程被称作触觉再现。比如，可以用多面体模型来模拟虚拟世界中的物体，这些三维模型可以准确刻画出许多形状，也可以通过模拟作用力与物体不同面的接触效果，来计算触摸数据。这种三维物体可以模拟出各类表面材质，上面提到的网购时，客户可“隔空”感受衣服的质地应用的就是这种原理。

　　从可以提供反馈信息、能够与人互动这个角度来看，计算机触觉设备很像是一个机器人。

　　王党校：确实是这样。计算机触觉技术是机器人科学技术中的重要分支。计算机将人类的脑力加以延伸，互联网使人类的交流打破了空间界限，机器人将“延长”人类的手，使人类的体力超越空间的界限。随着机器人技术的发展，各种领域中机器人将成为人类的帮手和“代理”，机器人和互联网的结合使得人类的脑力和体力得到空前的增长，必将大大提高人类生产效率和生活质量。

　　应用领域十分广泛未来生活无“触”不在

　　计算机触觉技术包含的信息是否可以像视频音频文件一样，被我们下载使用？

　　王党校：这应该是不难做到的。在我参加的2012年IEEE触（力）觉研讨会上，很多外国研究人员已经基于录制播放的思想研究出了一些设备。比如科学家玛格丽特·玛吉奥等人研制了视觉听觉触觉联合的训练系统，用来培训医学院学生进行牙齿龋坏组织的感受体验。这种系统，在一个改进的牙科探针上安装了一个小型振动传感器和振动电机。在录制阶段，首先由医生用探针探诊牙齿龋坏组织和刮磨龋齿表面等操作，通过振动传感器记录探针的振动信号，通过麦克风和摄像头同步记录声音和操作过程。在播放阶段，学生手持探针，可以同时获得视觉听觉触觉的反馈，从而更直观地体会牙齿龋坏组织的操作感受。如果稍加整合加工，将视觉听觉触觉信息数据发到网上，那么人人都可以下载使用这样的资源。

　　想必计算机触觉技术未来会在生活中得到广泛使用。然而我们更关心的是它最近的应用都有哪些，您能为我们介绍一下吗？

　　王党校：计算机触觉技术与计算机图形学、触觉心理学和机器人技术密切相关。目前，计算机触觉技术的研究和应用领域主要集中在：手术模拟、机器人主从控制、产品虚拟样机设计、游戏和娱乐、科学计算可视化等。 
 
　　王党校：这项技术应用于医疗领域，可以构建虚拟现实的手术模拟和培训系统，从而提高手术培训的逼真度和降低成本。实际上，世界上很多国家的大学、研究所都已经从不同角度开展了其在医学领域的研究。比如，加州大学伯克利分校的研究人员开发出了一种新的触觉虚拟现实系统，模拟工具与软组织交互的手术过程，并且作为操作接口控制手术机器人实现微创手术。

　　这项技术还可以被应用于机器人系统的主从操作和遥操作，给位于异地的操作者提供力觉信息，模拟其临场操作的触觉感知，以提高操作质量和效率。美国国家航空航天局、德国宇航局等单位已经将它应用在机器人遥操作中，辅助操作人员更好地完成艰巨的科学任务。

　　此外，国外一些公司还依据计算机触觉技术开发了辅助艺术家进行虚拟雕刻的设备。波音公司在飞机数字化设计过程中，采用力觉显示模拟座舱内操作设备的碰撞检测和操作友好性测试。有的公司还开发出了力反馈鼠标和力反馈数据手套，可以方便地集成到游戏软件中，为增强游戏逼真度和趣味性提供了极富潜力的途径。

　　计算机触觉技术的发展促使人类更加了解自己

　　目前计算机触觉技术有哪些研究热点？

　　王党校：情感计算与触（力）觉交互的结合将会是未来几年的研究热点之一。新加坡国立大学的专家研制的触（力）觉夹克可以用来实现远程交流中的拥抱式触（力）觉反馈。这种夹克由多个独立的气动模块控制，通过充气和排气模拟人体拥抱感受。我们可以想象不久后人们不光可以在线视频，还可以在线拥抱。能够获得远方亲人热情的拥抱，对于那些远离亲人的用户，将是多么大的情感慰藉。

　　宠物是人类的好朋友，能够帮助人驱散孤独。因此有人发明了一种具有触觉感知能力的机器宠物，它可以通过传感器感知人的触摸，并能够通过身体的起伏模拟呼吸和表达情绪。如果有这样一个宠物实现人和机器动物之间基于触觉的感情交流，那么很多人的焦虑情绪将得到缓解。

　　此外，触（力）觉人机交互、触（力）觉录制播放等都将形成研究热点。

　　您能为我们预测一下这项技术未来的整体方向吗？

　　王党校：计算机触觉技术是新一代人和计算机交互的关键技术。计算机从问世以来，一直朝着便利于人类使用的方向发展。从纸带输入、键盘输入到广泛使用的鼠标输入，人机交互朝着自然、高效的方向发展。当前技术下使计算机变得更有效的瓶颈不在于计算速度和图像显示，而在于和人交互的信息带宽，这只能通过先进的人机接口来实现。未来的计算机除了GUI（图形用户界面），还会产生HUI（触觉用户界面）、语音输入、眼动输入等。HUI不同于GUI等传统人机交互方式的特点是人机之间不再是人-机信息的单向流动，而是双向的流动过程。使用者将真正体会到和虚拟世界的交互。因此力觉和触觉反馈的研究必将促进计算机体系结构和硬件、软件技术的发展。
 
　　从另外一个角度讲，这项技术包含机器人学、虚拟现实、计算机图形学、人类生理学和心理学等学科的知识。要真实模拟人所感受的力和触觉，必须了解人类触觉和力觉感受机理。人的运动空间、身体各部分所能感受的力和力矩的范围和分辨率、人对于不同性质力信号的感知能力的差异、人的心理因素等都是与力觉和触觉反馈密切相关的问题。因此力觉和触觉反馈的研究必将促进对于人类自身的认识和理解。

　　广告中经常提到 “科技以人为本”这句话。确实，每一项科学技术产生的原动力都是为了满足人类的需求，方便人类的生活。然而从另外一个角度看，每当人们取得某项技术阶段性进步的时候，却同样也是这项技术再次向人类提出更深刻问题的时刻。正如计算机触觉技术的发展，将为我们未来的生活带来极大方便，同时它也要求我们不断挖掘人类自身的触觉和力觉感受机理，敦促人类继续不断深入探求“我是谁？ ”这一问题的答案。

　　专家档案

　　王党校 博士。北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室和机器人研究所副教授。中国计算机学会会员，IEEE （美国电气和电子工程师协会）高级会员，IEEE机器人学会触觉技术专业委员会副主席，北京市科技新星。主持国家自然科学基金 “基于双模式触觉交互的灵巧动作技能训练方法研究”、国家863计划 “面向手眼协调操作的触（力）觉合成和视觉-力觉融合再现技术”等多项科研项目。主要研究领域为计算机触觉、虚拟现实技术、智能机器人技术。