觸感技術的現狀與發展

曾繁榮 房穎 趙鐵松

摘要：觸覺作為互聯網的第3種媒體流，將廣泛應用于未來的觸感應用中。在觸覺交互任務中，要將用戶的體驗質量維持在最佳水平，仍是一個具有挑戰性的任務。介紹了觸覺信號的主要特點和觸覺交互面臨的挑戰，并對觸覺信息獲取與再現、編碼、傳輸等技術的研究進行了綜合討論。未來多模態的觸覺設備、高效率的觸覺編碼與雙邊遙操作控制方法的相互融合，以及標準的網絡傳輸協議的發展，都將推動觸感技術在多媒體交互任務中的應用。

關鍵詞：動覺;膚感信號;觸覺編碼;觸覺通信

Abstract：AsthethirdmediastreamoftheInternet，hapticswillbewidelyusedinhapticapplications.However，itisstillachallengetomaintaintheuser'squalityofexperienceattheoptimallevelinthehapticinteraction.Themaincharacteristicsofhapticsignalsandthechallengesofhapticinteractionareintroducedandthetechnologiesofhapticsignalsacquisition，reproduction，coding，andtransmissionareanalyzed.Inthefuture，themutualintegrationofmulti-modaltactiledevices，high-efficiencytactilecoding，andbilateralteleoperationcontrolmethods，aswellasstandardnetworktransmissionprotocolswillallpromotethegrowthoftactiletechnologyinmultimediainteractivetasks.

Keywords：kinesthetic;tactilesignal;hapticencoding;hapticcommunication

隨著數字信號處理及多媒體通信技術的飛速發展，人們的視聽需求得到了極大的滿足。人們開始追求多媒體交互體驗的沉浸感，希望實現從視聽互動到多感知交互的轉變。其中，觸覺作為僅次于聽覺與視覺的第3種交互媒體，為人機互動增加了一個新的維度。觸感技術根據反饋信息實現了動覺與膚感的再現，人類或機器可以遠程且實時地感知或控制真實或虛擬物體。研究表明，將觸感技術整合到現有的視聽多媒體服務中，實現人與環境的雙向交流，可以增強多媒體交互性及用戶的沉浸感[1]。視、聽、觸的多感知融合，能夠實現“所見即所觸”，在智能交通、遠程醫療、工業物聯網等人機交互場景中得到廣泛應用。

觸覺交互系統是一個“人在回路”的混合閉環控制系統，以實現雙邊觸覺遠程操作。融合觸覺的多媒體交互系統典型結構如圖1所示[2]，由主控域、網絡域和受控域組成。主控域通常由操作人員和人機觸覺交互界面組成。人機觸覺交互界面實現觸覺信號（位置、速度等信號）的采集、處理與傳輸，同時接收受控域的多模態（聽覺、視覺、觸覺）信號的反饋，從而實現遠程交互環境的感知與交互命令的調整。在受控域中，遠程控制的機器人或受控操作人員執行主控域的遠程交互命令，同時將場景信息通過多模態信號反饋到主控域中。主控域與受控域之間通過網絡域上的雙向數據通信鏈路形成全局控制回路，從而實現多感知的交互。

觸感技術使現實或虛擬環境的完全沉浸式多感官遠程體驗成為可能，將成為未來交互應用中的第3種媒體流。然而，將用戶的體驗質量維持在最佳水平，仍是一個具有挑戰性的任務。因此，目前學者對觸覺信息獲取及呈現、壓縮編碼、信息傳輸等方面進行了研究。電氣與電子工程師協會（IEEE）等國際標準組織也著力于P1918.1觸覺互聯網相關標準的制定。本文討論觸覺信息獲取及再現技術、觸覺信號的壓縮技術，同時結合觸覺網絡傳輸架構及觸覺數據通信協議等，對觸覺媒體傳輸關鍵技術進行了總結。

1觸覺信息的獲取與再現

觸覺包括位于關節和韌帶內的動覺感知和位于皮膚真皮層及表皮層的膚感。動覺感知包括力、扭矩、位置、速度、角速度等信息。膚感包括靜態壓力、振動、摩擦、表面紋理、皮膚拉伸、三維形狀、熱覺和痛覺等[3-4]。觸覺反饋技術基于人體觸覺感知機制，通過生成刺激信號，再現了觸覺交互過程。動覺和膚覺由于記錄的刺激數據不同，適用的觸覺設備也有所差異。

1.1動覺信息獲取與再現

動覺信息（力、扭矩、位置、方向）的獲取與再現目前主要是利用力反饋設備[5]。力反饋設備包括傳感器和由直流電動機控制的執行器。傳感器提供關于設備在虛擬/現實世界中的位置和方向的信息。一旦設備與物體發生互動，執行器就會向用戶顯示所產生的力/扭矩。如圖2所示，力反饋設備包括接地設備與非接地設備：NovintFalcon、Phantom的Omni和Premium等接地設備將其反作用力施加在一個巨大的靜止物體上;RutgersMaster、GyroMomentDisplay等非接地設備能夠產生自平衡力，無須機械接地，便能將其反作用力施加在操作者身體的某個部位。

1.2膚感信息獲取與再現

傳感器是產生膚感的設備，通常安裝在用戶終端，用于感測與周圍環境交互產生的振動、溫度等信息，并反饋傳達給用戶。目前傳感器主要是對摩擦力、硬度、溫度、粗糙度進行測量[6]。相應的觸覺再現設備主要是基于振動、超聲波以及靜電驅動方式[6]的。振動觸覺執行器可以使用音圈執行器、偏心質量馬達、壓電陶瓷執行器或3D打印的鋼制工具頭，如圖3所示。

以上觸感再現技術只關注到個別的觸覺維度，而多模態觸覺反饋設備能同時刺激人的膚感與動覺感知，產生多個維度的觸覺刺激，包括力、振動、扭矩、位置、熱刺激等，使用戶感知到物體的多種屬性，支持更為精細的操作。目前，多模態觸覺反饋設備可利用運動學機制、軟執行器、針式矩陣和熱顯示器、靜電效應、平臺渲染物體表面、音圈與制動器的融合，或是內置緊湊的觸覺顯示器和一個振動模塊來實現用戶的多模態觸覺反饋[4]。例如，H.CULBERTSON和K.J.KUCHENBECKER利用PhantomOmni設備和振動機械執行器產生了特定觸覺刺激（摩擦、硬度和粗糙度）[6]，利用螺線管柱塞和一個滾動的不銹鋼球來呈現不同的摩擦力[7]。

但是到目前為止，只有少數設備可以同時模擬3種基本模式（柔軟度、紋理和熱反饋），沒有設備能同時模擬更多的模態。為了產生多模態的觸覺，新型觸覺設備可以使用能同時支持多模態啟動的新型功能材料，或將觸覺設備執行器內嵌多個傳感器。需要注意的是，當多種模式被整合時，不同制動器之間可能產生空間干擾;當用戶同時感知多種模式時，某些模式組合的耦合效應與用戶的感知閾值會出現變化。

2觸覺信號的編碼

觸覺信號采樣率越高，信號幅值則越小。動覺信號的采樣率為1kHz甚至更高，位置和力的信號集中在-1.0～+1.0和-3.0～+3.0的范圍內[8]，如圖4所示[9]。膚感信息包括硬度、導熱性、摩擦力、微觀粗糙度和宏觀粗糙度，目前主要通過振動觸覺信號來解決微觀粗糙度和摩擦力問題。在高精度觸覺交互任務中，振動觸覺信號采樣率在5kHz以上。在數據庫[10]中，振動觸覺信號采樣率為2800Hz，其信號幅度值為0～1.5，如圖5所示。

較高的采樣率需要較高的數據包傳輸率，這會產生大量的數據開銷，從而導致延遲的增加。隨著觸覺應用所需的自由度數量的增加，觸覺數據將與之成比例地增加。盡管5G網絡的數據傳輸能力可以滿足用戶的觸覺數據傳輸需求，但在實際的多媒體交互任務中，還需要同時傳輸音頻和視頻數據，因此必須對觸覺數據進行壓縮。動覺信號與膚感信號分別應用于不同的場景，對于通信延遲有著不同的需求，這兩類信號的壓縮有其根本區別。

2.1動覺信號的編碼

動覺信號主要應用于閉環的通信場景中，對網絡延遲有著較高的要求，因此動覺編碼器的主要目標是降低網絡數據傳輸時的平均數據包率，同時保持較高的用戶體驗質量。目前，動覺信號編碼主要包括實時編碼及延遲編碼[11]：前者在完成信號采樣的同時進行數據傳輸，在交互過程中不需要控制機制來保證交互穩定性;后者則允許在通信延遲超過5ms的情況下，在交互過程中增加系統穩定控制機制。

（1）實時編碼

實時編解碼器主要基于感知死區的動覺壓縮方案[11]。該類編解碼器是基于韋伯的可察覺差異定律（JND）的，如公式（1）所示。只有當前信號X與之前傳輸的最后動覺信號Xn-1之間的相對差異超過韋伯分數δ時，信號X才需要被傳輸，否則當前信號將被丟棄。

δ在編碼方案中被稱為死區參數。死區參數閾值決定了壓縮率和感知的失真。δ值較小將導致壓縮率不足;δ值過大可能導致顯著的失真。圖6[12]為一維動覺信號的感知死區壓縮原理。帶黑點的采樣點代表輸出動覺信號，灰色區域定義了感知死區。如果信號樣本值位于定義的感知死區范圍內，則說明信號間的相對差異值較小且無法被人所感知。在編碼過程中，該部分信號將被舍棄。

基于感知死區及預測模型的感知編碼可以進一步降低觸覺數據包的速率。如圖7[3]所示，相同的預測器在主控域和受控域兩邊并行。在發送端，預測器在每個采樣瞬間產生預測的觸覺信號。如果預測誤差小于相應的感知死區閾值，則不觸發更新;否則，輸入樣本被傳輸到另一側，同時傳輸的樣本被用于更新預測模型。如果接收端收到了一個數據包，就直接作為動覺輸出，收到的觸覺信號被用于更新預測模型;否則，接收端預測器會產生一個預測的觸覺信號作為當前的輸出。基于感知死區的方法可能會引起用戶感知的“抖動效應”，并且隨著觸覺設備自由度的增加，壓縮率可能會有所下降。

（2）延遲編碼

延遲編碼器用額外的延遲來換取更好的編碼效率。延遲可能會影響主觀體驗和客觀質量，甚至影響觸覺設備的可用性，因此通常需要增加一個控制機制來保持系統的穩定性。差分脈沖編碼調制（DPCM）以及自適應差分脈沖編碼調制（ADPCM）技術被引入該類編解碼器中，壓縮率可以達到11∶1，同時將視覺和動覺失真保持在人類生理感知的閾值以下。除此之外，離散余弦變換（DCT）、快速DCT（FDCT）以及小波包變換（WPT）算法也應用于單一自由度的動覺系統中。其中，在DCT變換中加入氣泡排序算法的選擇DCT（sDCT）算法[13]，使得動覺信號的壓縮率和信噪比進一步提高。文獻[9]提出了一種高效、低延遲、感知無損的混合結構動覺編解碼器。該解碼器能夠減少編碼延遲，優化熵編碼器，并通過預處理消除編碼損失。該編碼器由放大器、DCT、量化器、行程編碼、熵編碼器組成。利用文獻[9]提出的算法可使位置信號和力信號的傳輸率比其他算法降低了50%以上，最大緩沖延遲僅為7ms，有效保證了動覺交互的用戶體驗。

2.2膚感信號的編碼

膚感信息通常發生在開環通信場景中，對延遲的容忍度有所提高。目前膚感信號編解碼器通常是指振動觸覺數據的壓縮，主要包括波形編碼、參數編碼以及混合感知編碼。

（1）波形編碼

波形編碼可以使用正交線性變換，例如DCT或離散小波變換（DWT），將振動觸覺信號轉換至其他數據域中，通過量化消除振幅低于閾值的信號，減少原始信號中的關聯性再進行熵編碼。

（2）參數編碼

膚感特征可以被提取，以形成參數化表征。例如，物體表面的摩擦、粗糙度等被捕捉后，每種材料的特征向量被發送到遠端觸覺渲染框架，用于在虛擬環境中再現觸覺感知。膚感信號特征是基于人為提取或基于深度學習自動提取的。基于線性預測編碼（LPC）的振動觸覺信號壓縮方法采用分析合成技術，只存儲或傳輸于分析階段捕獲的濾波器參數中[14]。

（3）混合感知編碼

感知壓縮的目標是通過盡可能多地保留可感知信號信息，來降低所需的數據傳輸速率。目前性能較好的感知小波量化振動編解碼器（VC-PWQ）[16]利用心理觸覺模型，將損傷閾值納入感知絕對閾值函數;利用感知的絕對閾值和掩蔽現象，動態提取其接收到的輸入信號的必要屬性;同時使用DWT有效地去除輸入信號的相關性;采用嵌入式均勻量化器，使用多級樹集合分裂（SPIHT）算法及算術編碼，得到了較好的觸覺編碼性能。基于稀疏線性預測的感知振動觸覺信號壓縮算法（PVC-SLP）[16]則采用了加速敏感度函數（ASF）以構建觸覺敏感度模型。該壓縮算法在線性預測方案中對殘差和預測系數都引入了稀疏性約束，目前被選為IEEEP1918.1.1觸覺編解碼標準的一部分。

迄今為止，業界開發的觸覺數據壓縮算法只適用于動覺或膚感信號。但在現實中，動覺信號和膚感信號是相互影響的。因此，有必要設計一種兼容兩種信號的通用編碼方法[1]。此外，大部分算法只解決單點觸覺互動。隨著觸覺數據采集的改進，多點場景的重要性越來越高，因此需要開發針對多點觸覺場景的壓縮算法，并可以考慮利用通道間或空間的相關性來獲得最大的壓縮性能。最后，必須定義多模態編碼方案，以支持觸覺互聯網信息的不同模態，而不增加端到端的延遲。

3觸覺信號的傳輸

觸覺交互實現了實時感知、操縱或控制真實和虛擬的物體或進程，其信號本質上是主動和雙向的。互聯網需要由原先的內容傳輸進一步演變為技能傳輸。相比于視頻、聲音、圖像等其他多媒體應用，觸覺應用對數據丟失和帶寬的容忍度高，對延遲、可靠性的要求更高。為了保證更自然的交互操作，觸覺互聯網必須是高可靠低延時的，因此它的網絡架構及傳輸協議都與傳統互聯網不同。

3.1網絡體系結構

觸覺通信網絡架構對于確保低時延、高可靠、魯棒性，以及與其他網絡的兼容至關重要。觸覺互聯網架構分為獨立于具體應用的通用結構和與具體應用相關聯的專用架構。

通用架構包括IEEEP1918.1標準組提出的通用架構[11，17]、移動邊緣計算（MEC）增強蜂窩架構[18]、基于以太網無源光網絡（EPON）的網絡架構[19]、FiWi增強型蜂窩架構[20]（HetNet）以及新型互聯網架構FlexNGIA[21]。

IEEEP1918.1標準組提出的觸覺互聯網（TI）通用架構，旨在支持大多數TI的實際使用。該通用結構由網絡域和邊緣域組成，包括觸覺設備、網關節點、網絡控制器、支持引擎、觸覺服務管理器、用戶平面實體和控制平面實體。每個觸覺邊緣的觸覺設備可以通過網絡域（包括共享無線網絡、共享有線網絡、專用無線網絡、專用有線網絡）進行觸覺信息的通信。除了傳統的物理接口外，參考架構還確定了各種邏輯接口，這些接口可以通過包括5G在內的任何連接技術，映射到各種觸覺互聯網應用程序。

邊緣計算增強蜂窩架構為一個多層云系統，該系統在蜂窩網絡中提供遷移能力，以支持觸覺互聯網應用。該系統分別由在最低、中間和最高級別上的微云、小型云和核心云單元組成。該架構旨在將蜂窩網絡的業務轉移到云端，以減少數據往返的延遲和網絡擁塞。

基于EPON[18]的光云分布網絡（OCLDN）架構提供高速、可編程可擴展的光接入網絡，以支持低延遲服務。它允許光網絡單元（ONU）同時通過多個波長通道傳輸流量，增加網絡容量。

HetNet通用架構具有光纖回程共享和WiFi遷移功能。它利用EP?ON技術在核心和邊緣網絡之間形成回程鏈路，并利用千兆無線局域網（WLAN）技術構建FiWi接入網絡。

新型互聯網架構FlexNGIA則利用未來網絡基礎設施中計算資源的可用性，來實現網絡內計算。該架構還定義了一個商業模式：網絡運營商不僅可以提供數據傳輸，還可以提供對性能、可靠性等有嚴格要求的服務功能鏈。該架構可使網絡提供更好的擁塞控制和可靠性服務。

觸覺互聯網專用架構主要針對具體應用設計，包括實時遠程控制任務、虛擬現實、工業應用、智慧城市等。其中，文獻[22]提出了一種全新的體驗質量（QoE）驅動的智慧城市觸覺互聯網專用架構。該架構包含5層：感知層、傳輸層、存儲層、計算層和應用層。感知層的主要任務是從智慧城市中的分布式傳感器收集大數據，然后對數據進行預處理;傳輸層旨在為智慧城市的數據傳輸提供超可靠的連接;存儲層利用分布式數據存儲和區塊鏈技術，為數據存儲和用戶隱私信息保護方面提供保障;計算層使用滲透計算技術實現對觸覺設備的控制;應用層通過挖掘觸覺和現有的視聽數據提升用戶的QoE。

3.2傳輸協議

近年來，針對觸覺數據的特殊性，研究人員提出了新的觸覺通信中數據傳輸協議、應用層遷移協議、切換協議以及觸覺握手協議。觸覺通信協議（FRTPS）[23]基于實時傳輸協議（RTP）協議，使用連續網絡探測流控制機制和模糊邏輯速率自適應機制，提高了觸覺數據傳輸性能。敏捷云遷移（ACM）的應用層遷移協議[24]由客戶端、控制器和引擎組成，為觸覺交互提供更高的可靠性。文獻[25]提出的垂直切換協議，可實現IEEE802.11p和長期演進（LTE）網絡之間的無縫切換。IIYOSHI等[26]著重設計了一種觸覺握手機制，以協調（通常）異構的觸覺設備。他們還開發了“觸覺互聯網信息”的信息傳遞格式，用于在觸覺握手期間交換元數據。

4結束語

觸覺交互系統是一個“人在回路”的混合閉環控制系統，它可以實現雙邊觸覺遠程操作，人類或機器可以實時獲取、感知、操作或控制遠端真實或虛擬的物體。本文分別對觸覺信息的獲取與再現、數據壓縮編碼技術及數據傳輸架構與觸覺通信協議進行了總結與分析，并對相應技術未來的挑戰進行了探討。

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作者簡介

曾繁榮，福州大學電子信息工程專業在讀本科生;主要研究方向為觸覺通信。

房穎，福州大學物理與信息工程學院講師;主要研究方向為觸感信息與觸感網。

趙鐵松，福州大學物理與信息工程學院教授、福建省媒體信息智能處理與無線傳輸重點實驗室主任、國家級青年引才計劃入選者、福建省“閩江學者”特聘教授、福建省引進海外高層次人才，現任第6屆中國青年科技工作者協會理事，并擔任計算機學會多媒體專委會委員、電子學會青年科學家俱樂部成員及網絡多媒體專委會委員、圖象圖形學會多媒體專委會委員、IEEE高級會員、《IETElectronicsLetters》編委等;入選福建省高層次創新創業人才百人計劃;主要研究方向為圖像處理與計算機視覺、智能視頻編碼與通信、觸感信息與觸感網;承擔多項科研項目;發表論文80余篇。