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触觉再现打开了人与虚拟世界沟通的新通道，将人类与虚拟世界的交流推向了听觉、视觉与触觉三维融合的崭新阶段，给人带来全新的沉浸感和真实感，是当前人机交互研究的热点。随着移动电话和平板电脑的智能化水平不断提高，具有触觉再现功能的移动终端是技术发展的必然趋势。静电力触觉再现通过控制电信号来改变手指与触摸屏之间的静电摩擦力产生不同触觉效果，触觉再现效果丰富，功耗低且不影响媒体显示，是目前最具潜力的移动终端触觉再现解决方案。
推进移动终端静电力触觉再现技术的产业化应用必须解决可靠性高的再现装置、真实感强的渲染算法和触觉交互界面设计三方面问题。目前的静电力触觉渲染算法主要利用激励信号的幅度参量，触觉渲染维度受限，激励信号的频率、波形等参量的应用方法需要深入挖掘；移动终端触觉交互界面设计必须先明确触觉再现在交互操作过程中的应用方法及其对交互精度与交互效率的影响，静电力触觉再现在平移和点击等单指交互操作中的应用已取得显著进展，但对放大和缩小等双指交互操作的相关研究还有待深入；现有的移动终端静电力触觉再现技术主要采用裸指方式，触觉效果易受人的个体差异和环境因素影响，而且在书写和绘画等需要长时间使用的情景下极易使手指产生不适感甚至麻木，笔式交互已成为平板电脑和智能手机的标准交互方式，代替手指操作的笔式静电力触觉再现技术还是空白。
本文研制了裸指式和笔式两种适用于移动终端的静电力触觉再现装置，在此基础上深入研究了移动终端静电力触觉再现的纹理和几何形状渲染、双指交互操作、笔式交互操作、笔式和电机振动融合的相关方法与性能评测，旨在为静电力触觉再现技术在移动终端上的应用提供参考。
创新点如下：
(1)针对图像纹理和几何形状的静电力渲染问题，提出了基于幅度-频率参量的纹理渲染算法和基于韦伯-费希纳定律的几何形状渲染算法，提高了图像纹理渲染的真实感和几何形状的触觉辨识性。该图像纹理渲染方法使用Roberts算子提取图像的梯度信息，建立了正弦激励信号频率参量与物体软硬度的对数映射关系模型以及幅度参量与物体几何高度的对数映射模型，扩展了应用激励信号参量的维度，10人10幅图像的触觉感知效果实验表明所提算法满意度比单一频率激励信号的触觉渲染算法高26%。该几何形状渲染方法选取120Hz正弦波作为激励信号，采用韦伯-费希纳模型对几何形状的梯度参量进行对数映射，构造出单位梯度下动态变化更大的触觉激励信号，10人3种几何形状的触觉感知实验表明所提算法的满意度比采用线性模型的触觉渲染算法高36%。
(2)针对静电力触觉再现在双指缩放交互操作的应用方法与交互性能问题，建立了目标位置与触觉反馈力、操作过程与触觉反馈力的映射模型，证明了基于目标位置的方案最优且满足Fitts定律和Meyer定律，显著提高了交互效率和精度。12人对比实验表明：与无触觉反馈方案相比，基于目标位置方案的完成时间和操作误差分别降低了27.59%和22.08%，基于操作过程方案的完成时间和操作误差分别降低了9.61%和12.24%。回归分析结果表明基于目标位置方案的Fitts定律和Meyer定律相关系数大于0.9。
(3)针对在移动终端上进行书写与绘画操作对触觉再现的需求，提出了静电力触觉再现技术在笔式结构上的实现方法并研制了装置，提高了轨迹导向类交互的精度和绘制类交互的满意度。12人的Steering任务和Tracing任务的对比实验表明，笔式静电力方案交互精度优于裸指静电力方案和笔式振动方案，操作误差分别降低了13.04%和3.08%。6人的书写、绘画和纹理触觉感知实验表明，笔式静电力方案可增强沉浸感和真实感。
(4)针对笔式静电力装置不能为点击操作提供触觉反馈的问题，提出了静电力与线性电机融合的笔式触觉再现方法并研制了新型装置，显著提高了笔式静电力触觉再现的交互效率。12人的点击-滑动交互操作对比实验表明，静电力与线性电机融合方案的完成时间比笔式静电力方案降低了14.58%。
推进移动终端静电力触觉再现技术的产业化应用必须解决可靠性高的再现装置、真实感强的渲染算法和触觉交互界面设计三方面问题。目前的静电力触觉渲染算法主要利用激励信号的幅度参量，触觉渲染维度受限，激励信号的频率、波形等参量的应用方法需要深入挖掘；移动终端触觉交互界面设计必须先明确触觉再现在交互操作过程中的应用方法及其对交互精度与交互效率的影响，静电力触觉再现在平移和点击等单指交互操作中的应用已取得显著进展，但对放大和缩小等双指交互操作的相关研究还有待深入；现有的移动终端静电力触觉再现技术主要采用裸指方式，触觉效果易受人的个体差异和环境因素影响，而且在书写和绘画等需要长时间使用的情景下极易使手指产生不适感甚至麻木，笔式交互已成为平板电脑和智能手机的标准交互方式，代替手指操作的笔式静电力触觉再现技术还是空白。
本文研制了裸指式和笔式两种适用于移动终端的静电力触觉再现装置，在此基础上深入研究了移动终端静电力触觉再现的纹理和几何形状渲染、双指交互操作、笔式交互操作、笔式和电机振动融合的相关方法与性能评测，旨在为静电力触觉再现技术在移动终端上的应用提供参考。
创新点如下：
(1)针对图像纹理和几何形状的静电力渲染问题，提出了基于幅度-频率参量的纹理渲染算法和基于韦伯-费希纳定律的几何形状渲染算法，提高了图像纹理渲染的真实感和几何形状的触觉辨识性。该图像纹理渲染方法使用Roberts算子提取图像的梯度信息，建立了正弦激励信号频率参量与物体软硬度的对数映射关系模型以及幅度参量与物体几何高度的对数映射模型，扩展了应用激励信号参量的维度，10人10幅图像的触觉感知效果实验表明所提算法满意度比单一频率激励信号的触觉渲染算法高26%。该几何形状渲染方法选取120Hz正弦波作为激励信号，采用韦伯-费希纳模型对几何形状的梯度参量进行对数映射，构造出单位梯度下动态变化更大的触觉激励信号，10人3种几何形状的触觉感知实验表明所提算法的满意度比采用线性模型的触觉渲染算法高36%。
(2)针对静电力触觉再现在双指缩放交互操作的应用方法与交互性能问题，建立了目标位置与触觉反馈力、操作过程与触觉反馈力的映射模型，证明了基于目标位置的方案最优且满足Fitts定律和Meyer定律，显著提高了交互效率和精度。12人对比实验表明：与无触觉反馈方案相比，基于目标位置方案的完成时间和操作误差分别降低了27.59%和22.08%，基于操作过程方案的完成时间和操作误差分别降低了9.61%和12.24%。回归分析结果表明基于目标位置方案的Fitts定律和Meyer定律相关系数大于0.9。
(3)针对在移动终端上进行书写与绘画操作对触觉再现的需求，提出了静电力触觉再现技术在笔式结构上的实现方法并研制了装置，提高了轨迹导向类交互的精度和绘制类交互的满意度。12人的Steering任务和Tracing任务的对比实验表明，笔式静电力方案交互精度优于裸指静电力方案和笔式振动方案，操作误差分别降低了13.04%和3.08%。6人的书写、绘画和纹理触觉感知实验表明，笔式静电力方案可增强沉浸感和真实感。
(4)针对笔式静电力装置不能为点击操作提供触觉反馈的问题，提出了静电力与线性电机融合的笔式触觉再现方法并研制了新型装置，显著提高了笔式静电力触觉再现的交互效率。12人的点击-滑动交互操作对比实验表明，静电力与线性电机融合方案的完成时间比笔式静电力方案降低了14.58%。