觸感技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

曾繁榮 房穎 趙鐵松

摘要：觸覺作為互聯(lián)網(wǎng)的第3種媒體流，將廣泛應(yīng)用于未來的觸感應(yīng)用中。在觸覺交互任務(wù)中，要將用戶的體驗(yàn)質(zhì)量維持在最佳水平，仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。介紹了觸覺信號(hào)的主要特點(diǎn)和觸覺交互面臨的挑戰(zhàn)，并對(duì)觸覺信息獲取與再現(xiàn)、編碼、傳輸?shù)燃夹g(shù)的研究進(jìn)行了綜合討論。未來多模態(tài)的觸覺設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的發(fā)展，都將推動(dòng)觸感技術(shù)在多媒體交互任務(wù)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：動(dòng)覺;膚感信號(hào);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(shù)字信號(hào)處理及多媒體通信技術(shù)的飛速發(fā)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(yàn)的沉浸感，希望實(shí)現(xiàn)從視聽互動(dòng)到多感知交互的轉(zhuǎn)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(jī)互動(dòng)增加了一個(gè)新的維度。觸感技術(shù)根據(jù)反饋信息實(shí)現(xiàn)了動(dòng)覺與膚感的再現(xiàn)，人類或機(jī)器可以遠(yuǎn)程且實(shí)時(shí)地感知或控制真實(shí)或虛擬物體。研究表明，將觸感技術(shù)整合到現(xiàn)有的視聽多媒體服務(wù)中，實(shí)現(xiàn)人與環(huán)境的雙向交流，可以增強(qiáng)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?qū)崿F(xiàn)“所見即所觸”，在智能交通、遠(yuǎn)程醫(yī)療、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等人機(jī)交互場景中得到廣泛應(yīng)用。

觸覺交互系統(tǒng)是一個(gè)“人在回路”的混合閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)雙邊觸覺遠(yuǎn)程操作。融合觸覺的多媒體交互系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]，由主控域、網(wǎng)絡(luò)域和受控域組成。主控域通常由操作人員和人機(jī)觸覺交互界面組成。人機(jī)觸覺交互界面實(shí)現(xiàn)觸覺信號(hào)（位置、速度等信號(hào)）的采集、處理與傳輸，同時(shí)接收受控域的多模態(tài)（聽覺、視覺、觸覺）信號(hào)的反饋，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交互環(huán)境的感知與交互命令的調(diào)整。在受控域中，遠(yuǎn)程控制的機(jī)器人或受控操作人員執(zhí)行主控域的遠(yuǎn)程交互命令，同時(shí)將場景信息通過多模態(tài)信號(hào)反饋到主控域中。主控域與受控域之間通過網(wǎng)絡(luò)域上的雙向數(shù)據(jù)通信鏈路形成全局控制回路，從而實(shí)現(xiàn)多感知的交互。

觸感技術(shù)使現(xiàn)實(shí)或虛擬環(huán)境的完全沉浸式多感官遠(yuǎn)程體驗(yàn)成為可能，將成為未來交互應(yīng)用中的第3種媒體流。然而，將用戶的體驗(yàn)質(zhì)量維持在最佳水平，仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。因此，目前學(xué)者對(duì)觸覺信息獲取及呈現(xiàn)、壓縮編碼、信息傳輸?shù)确矫孢M(jìn)行了研究。電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）等國際標(biāo)準(zhǔn)組織也著力于P1918.1觸覺互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。本文討論觸覺信息獲取及再現(xiàn)技術(shù)、觸覺信號(hào)的壓縮技術(shù)，同時(shí)結(jié)合觸覺網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)及觸覺數(shù)據(jù)通信協(xié)議等，對(duì)觸覺媒體傳輸關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。

1觸覺信息的獲取與再現(xiàn)

觸覺包括位于關(guān)節(jié)和韌帶內(nèi)的動(dòng)覺感知和位于皮膚真皮層及表皮層的膚感。動(dòng)覺感知包括力、扭矩、位置、速度、角速度等信息。膚感包括靜態(tài)壓力、振動(dòng)、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(shù)基于人體觸覺感知機(jī)制，通過生成刺激信號(hào)，再現(xiàn)了觸覺交互過程。動(dòng)覺和膚覺由于記錄的刺激數(shù)據(jù)不同，適用的觸覺設(shè)備也有所差異。

1.1動(dòng)覺信息獲取與再現(xiàn)

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

1.2膚感信息獲取與再現(xiàn)

傳感器是產(chǎn)生膚感的設(shè)備，通常安裝在用戶終端，用于感測與周圍環(huán)境交互產(chǎn)生的振動(dòng)、溫度等信息，并反饋傳達(dá)給用戶。目前傳感器主要是對(duì)摩擦力、硬度、溫度、粗糙度進(jìn)行測量[6]。相應(yīng)的觸覺再現(xiàn)設(shè)備主要是基于振動(dòng)、超聲波以及靜電驅(qū)動(dòng)方式[6]的。振動(dòng)觸覺執(zhí)行器可以使用音圈執(zhí)行器、偏心質(zhì)量馬達(dá)、壓電陶瓷執(zhí)行器或3D打印的鋼制工具頭，如圖3所示。

以上觸感再現(xiàn)技術(shù)只關(guān)注到個(gè)別的觸覺維度，而多模態(tài)觸覺反饋設(shè)備能同時(shí)刺激人的膚感與動(dòng)覺感知，產(chǎn)生多個(gè)維度的觸覺刺激，包括力、振動(dòng)、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(xì)的操作。目前，多模態(tài)觸覺反饋設(shè)備可利用運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)制、軟執(zhí)行器、針式矩陣和熱顯示器、靜電效應(yīng)、平臺(tái)渲染物體表面、音圈與制動(dòng)器的融合，或是內(nèi)置緊湊的觸覺顯示器和一個(gè)振動(dòng)模塊來實(shí)現(xiàn)用戶的多模態(tài)觸覺反饋[4]。例如，H.CULBERTSON和K.J.KUCHENBECKER利用PhantomOmni設(shè)備和振動(dòng)機(jī)械執(zhí)行器產(chǎn)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(gè)滾動(dòng)的不銹鋼球來呈現(xiàn)不同的摩擦力[7]。

但是到目前為止，只有少數(shù)設(shè)備可以同時(shí)模擬3種基本模式（柔軟度、紋理和熱反饋），沒有設(shè)備能同時(shí)模擬更多的模態(tài)。為了產(chǎn)生多模態(tài)的觸覺，新型觸覺設(shè)備可以使用能同時(shí)支持多模態(tài)啟動(dòng)的新型功能材料，或?qū)⒂|覺設(shè)備執(zhí)行器內(nèi)嵌多個(gè)傳感器。需要注意的是，當(dāng)多種模式被整合時(shí)，不同制動(dòng)器之間可能產(chǎn)生空間干擾;當(dāng)用戶同時(shí)感知多種模式時(shí)，某些模式組合的耦合效應(yīng)與用戶的感知閾值會(huì)出現(xiàn)變化。

2觸覺信號(hào)的編碼

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

較高的采樣率需要較高的數(shù)據(jù)包傳輸率，這會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)開銷，從而導(dǎo)致延遲的增加。隨著觸覺應(yīng)用所需的自由度數(shù)量的增加，觸覺數(shù)據(jù)將與之成比例地增加。盡管5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力可以滿足用戶的觸覺數(shù)據(jù)傳輸需求，但在實(shí)際的多媒體交互任務(wù)中，還需要同時(shí)傳輸音頻和視頻數(shù)據(jù)，因此必須對(duì)觸覺數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。動(dòng)覺信號(hào)與膚感信號(hào)分別應(yīng)用于不同的場景，對(duì)于通信延遲有著不同的需求，這兩類信號(hào)的壓縮有其根本區(qū)別。

2.1動(dòng)覺信號(hào)的編碼

動(dòng)覺信號(hào)主要應(yīng)用于閉環(huán)的通信場景中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)延遲有著較高的要求，因此動(dòng)覺編碼器的主要目標(biāo)是降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的平均數(shù)據(jù)包率，同時(shí)保持較高的用戶體驗(yàn)質(zhì)量。目前，動(dòng)覺信號(hào)編碼主要包括實(shí)時(shí)編碼及延遲編碼[11]：前者在完成信號(hào)采樣的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在交互過程中不需要控制機(jī)制來保證交互穩(wěn)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(tǒng)穩(wěn)定控制機(jī)制。

（1）實(shí)時(shí)編碼

實(shí)時(shí)編解碼器主要基于感知死區(qū)的動(dòng)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(dāng)前信號(hào)X與之前傳輸?shù)淖詈髣?dòng)覺信號(hào)Xn-1之間的相對(duì)差異超過韋伯分?jǐn)?shù)δ時(shí)，信號(hào)X才需要被傳輸，否則當(dāng)前信號(hào)將被丟棄。

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

基于感知死區(qū)及預(yù)測模型的感知編碼可以進(jìn)一步降低觸覺數(shù)據(jù)包的速率。如圖7[3]所示，相同的預(yù)測器在主控域和受控域兩邊并行。在發(fā)送端，預(yù)測器在每個(gè)采樣瞬間產(chǎn)生預(yù)測的觸覺信號(hào)。如果預(yù)測誤差小于相應(yīng)的感知死區(qū)閾值，則不觸發(fā)更新;否則，輸入樣本被傳輸?shù)搅硪粋?cè)，同時(shí)傳輸?shù)臉颖颈挥糜诟骂A(yù)測模型。如果接收端收到了一個(gè)數(shù)據(jù)包，就直接作為動(dòng)覺輸出，收到的觸覺信號(hào)被用于更新預(yù)測模型;否則，接收端預(yù)測器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)預(yù)測的觸覺信號(hào)作為當(dāng)前的輸出?；诟兄绤^(qū)的方法可能會(huì)引起用戶感知的“抖動(dòng)效應(yīng)”，并且隨著觸覺設(shè)備自由度的增加，壓縮率可能會(huì)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(huì)影響主觀體驗(yàn)和客觀質(zhì)量，甚至影響觸覺設(shè)備的可用性，因此通常需要增加一個(gè)控制機(jī)制來保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。差分脈沖編碼調(diào)制（DPCM）以及自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）技術(shù)被引入該類編解碼器中，壓縮率可以達(dá)到11∶1，同時(shí)將視覺和動(dòng)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(yīng)用于單一自由度的動(dòng)覺系統(tǒng)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(dòng)覺信號(hào)的壓縮率和信噪比進(jìn)一步提高。文獻(xiàn)[9]提出了一種高效、低延遲、感知無損的混合結(jié)構(gòu)動(dòng)覺編解碼器。該解碼器能夠減少編碼延遲，優(yōu)化熵編碼器，并通過預(yù)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(xiàn)[9]提出的算法可使位置信號(hào)和力信號(hào)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(dòng)覺交互的用戶體驗(yàn)。

2.2膚感信號(hào)的編碼

膚感信息通常發(fā)生在開環(huán)通信場景中，對(duì)延遲的容忍度有所提高。目前膚感信號(hào)編解碼器通常是指振動(dòng)觸覺數(shù)據(jù)的壓縮，主要包括波形編碼、參數(shù)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(dòng)觸覺信號(hào)轉(zhuǎn)換至其他數(shù)據(jù)域中，通過量化消除振幅低于閾值的信號(hào)，減少原始信號(hào)中的關(guān)聯(lián)性再進(jìn)行熵編碼。

（2）參數(shù)編碼

膚感特征可以被提取，以形成參數(shù)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(fā)送到遠(yuǎn)端觸覺渲染框架，用于在虛擬環(huán)境中再現(xiàn)觸覺感知。膚感信號(hào)特征是基于人為提取或基于深度學(xué)習(xí)自動(dòng)提取的?；诰€性預(yù)測編碼（LPC）的振動(dòng)觸覺信號(hào)壓縮方法采用分析合成技術(shù)，只存儲(chǔ)或傳輸于分析階段捕獲的濾波器參數(shù)中[14]。

（3）混合感知編碼

感知壓縮的目標(biāo)是通過盡可能多地保留可感知信號(hào)信息，來降低所需的數(shù)據(jù)傳輸速率。目前性能較好的感知小波量化振動(dòng)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(duì)閾值函數(shù);利用感知的絕對(duì)閾值和掩蔽現(xiàn)象，動(dòng)態(tài)提取其接收到的輸入信號(hào)的必要屬性;同時(shí)使用DWT有效地去除輸入信號(hào)的相關(guān)性;采用嵌入式均勻量化器，使用多級(jí)樹集合分裂（SPIHT）算法及算術(shù)編碼，得到了較好的觸覺編碼性能?；谙∈杈€性預(yù)測的感知振動(dòng)觸覺信號(hào)壓縮算法（PVC-SLP）[16]則采用了加速敏感度函數(shù)（ASF）以構(gòu)建觸覺敏感度模型。該壓縮算法在線性預(yù)測方案中對(duì)殘差和預(yù)測系數(shù)都引入了稀疏性約束，目前被選為IEEEP1918.1.1觸覺編解碼標(biāo)準(zhǔn)的一部分。

迄今為止，業(yè)界開發(fā)的觸覺數(shù)據(jù)壓縮算法只適用于動(dòng)覺或膚感信號(hào)。但在現(xiàn)實(shí)中，動(dòng)覺信號(hào)和膚感信號(hào)是相互影響的。因此，有必要設(shè)計(jì)一種兼容兩種信號(hào)的通用編碼方法[1]。此外，大部分算法只解決單點(diǎn)觸覺互動(dòng)。隨著觸覺數(shù)據(jù)采集的改進(jìn)，多點(diǎn)場景的重要性越來越高，因此需要開發(fā)針對(duì)多點(diǎn)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(guān)性來獲得最大的壓縮性能。最后，必須定義多模態(tài)編碼方案，以支持觸覺互聯(lián)網(wǎng)信息的不同模態(tài)，而不增加端到端的延遲。

3觸覺信號(hào)的傳輸

觸覺交互實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)感知、操縱或控制真實(shí)和虛擬的物體或進(jìn)程，其信號(hào)本質(zhì)上是主動(dòng)和雙向的?；ヂ?lián)網(wǎng)需要由原先的內(nèi)容傳輸進(jìn)一步演變?yōu)榧寄軅鬏?。相比于視頻、聲音、圖像等其他多媒體應(yīng)用，觸覺應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)丟失和帶寬的容忍度高，對(duì)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(lián)網(wǎng)必須是高可靠低延時(shí)的，因此它的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及傳輸協(xié)議都與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)不同。

3.1網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

觸覺通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)于確保低時(shí)延、高可靠、魯棒性，以及與其他網(wǎng)絡(luò)的兼容至關(guān)重要。觸覺互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)分為獨(dú)立于具體應(yīng)用的通用結(jié)構(gòu)和與具體應(yīng)用相關(guān)聯(lián)的專用架構(gòu)。

通用架構(gòu)包括IEEEP1918.1標(biāo)準(zhǔn)組提出的通用架構(gòu)[11，17]、移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）增強(qiáng)蜂窩架構(gòu)[18]、基于以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[19]、FiWi增強(qiáng)型蜂窩架構(gòu)[20]（HetNet）以及新型互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)FlexNGIA[21]。

IEEEP1918.1標(biāo)準(zhǔn)組提出的觸覺互聯(lián)網(wǎng)（TI）通用架構(gòu)，旨在支持大多數(shù)TI的實(shí)際使用。該通用結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)域和邊緣域組成，包括觸覺設(shè)備、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)控制器、支持引擎、觸覺服務(wù)管理器、用戶平面實(shí)體和控制平面實(shí)體。每個(gè)觸覺邊緣的觸覺設(shè)備可以通過網(wǎng)絡(luò)域（包括共享無線網(wǎng)絡(luò)、共享有線網(wǎng)絡(luò)、專用無線網(wǎng)絡(luò)、專用有線網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行觸覺信息的通信。除了傳統(tǒng)的物理接口外，參考架構(gòu)還確定了各種邏輯接口，這些接口可以通過包括5G在內(nèi)的任何連接技術(shù)，映射到各種觸覺互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序。

邊緣計(jì)算增強(qiáng)蜂窩架構(gòu)為一個(gè)多層云系統(tǒng)，該系統(tǒng)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中提供遷移能力，以支持觸覺互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。該系統(tǒng)分別由在最低、中間和最高級(jí)別上的微云、小型云和核心云單元組成。該架構(gòu)旨在將蜂窩網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到云端，以減少數(shù)據(jù)往返的延遲和網(wǎng)絡(luò)擁塞。

基于EPON[18]的光云分布網(wǎng)絡(luò)（OCLDN）架構(gòu)提供高速、可編程可擴(kuò)展的光接入網(wǎng)絡(luò)，以支持低延遲服務(wù)。它允許光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）同時(shí)通過多個(gè)波長通道傳輸流量，增加網(wǎng)絡(luò)容量。

HetNet通用架構(gòu)具有光纖回程共享和WiFi遷移功能。它利用EP?ON技術(shù)在核心和邊緣網(wǎng)絡(luò)之間形成回程鏈路，并利用千兆無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)構(gòu)建FiWi接入網(wǎng)絡(luò)。

新型互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)FlexNGIA則利用未來網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中計(jì)算資源的可用性，來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)計(jì)算。該架構(gòu)還定義了一個(gè)商業(yè)模式：網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商不僅可以提供數(shù)據(jù)傳輸，還可以提供對(duì)性能、可靠性等有嚴(yán)格要求的服務(wù)功能鏈。該架構(gòu)可使網(wǎng)絡(luò)提供更好的擁塞控制和可靠性服務(wù)。

觸覺互聯(lián)網(wǎng)專用架構(gòu)主要針對(duì)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)，包括實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制任務(wù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、工業(yè)應(yīng)用、智慧城市等。其中，文獻(xiàn)[22]提出了一種全新的體驗(yàn)質(zhì)量（QoE）驅(qū)動(dòng)的智慧城市觸覺互聯(lián)網(wǎng)專用架構(gòu)。該架構(gòu)包含5層：感知層、傳輸層、存儲(chǔ)層、計(jì)算層和應(yīng)用層。感知層的主要任務(wù)是從智慧城市中的分布式傳感器收集大數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理;傳輸層旨在為智慧城市的數(shù)據(jù)傳輸提供超可靠的連接;存儲(chǔ)層利用分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和區(qū)塊鏈技術(shù)，為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和用戶隱私信息保護(hù)方面提供保障;計(jì)算層使用滲透計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)觸覺設(shè)備的控制;應(yīng)用層通過挖掘觸覺和現(xiàn)有的視聽數(shù)據(jù)提升用戶的QoE。

3.2傳輸協(xié)議

近年來，針對(duì)觸覺數(shù)據(jù)的特殊性，研究人員提出了新的觸覺通信中數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、應(yīng)用層遷移協(xié)議、切換協(xié)議以及觸覺握手協(xié)議。觸覺通信協(xié)議（FRTPS）[23]基于實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（RTP）協(xié)議，使用連續(xù)網(wǎng)絡(luò)探測流控制機(jī)制和模糊邏輯速率自適應(yīng)機(jī)制，提高了觸覺數(shù)據(jù)傳輸性能。敏捷云遷移（ACM）的應(yīng)用層遷移協(xié)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(xiàn)[25]提出的垂直切換協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)IEEE802.11p和長期演進(jìn)（LTE）網(wǎng)絡(luò)之間的無縫切換。IIYOSHI等[26]著重設(shè)計(jì)了一種觸覺握手機(jī)制，以協(xié)調(diào)（通常）異構(gòu)的觸覺設(shè)備。他們還開發(fā)了“觸覺互聯(lián)網(wǎng)信息”的信息傳遞格式，用于在觸覺握手期間交換元數(shù)據(jù)。

4結(jié)束語

觸覺交互系統(tǒng)是一個(gè)“人在回路”的混合閉環(huán)控制系統(tǒng)，它可以實(shí)現(xiàn)雙邊觸覺遠(yuǎn)程操作，人類或機(jī)器可以實(shí)時(shí)獲取、感知、操作或控制遠(yuǎn)端真實(shí)或虛擬的物體。本文分別對(duì)觸覺信息的獲取與再現(xiàn)、數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)及數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)與觸覺通信協(xié)議進(jìn)行了總結(jié)與分析，并對(duì)相應(yīng)技術(shù)未來的挑戰(zhàn)進(jìn)行了探討。

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作者簡介

曾繁榮，福州大學(xué)電子信息工程專業(yè)在讀本科生;主要研究方向?yàn)橛|覺通信。

房穎，福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院講師;主要研究方向?yàn)橛|感信息與觸感網(wǎng)。

趙鐵松，福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院教授、福建省媒體信息智能處理與無線傳輸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、國家級(jí)青年引才計(jì)劃入選者、福建省“閩江學(xué)者”特聘教授、福建省引進(jìn)海外高層次人才，現(xiàn)任第6屆中國青年科技工作者協(xié)會(huì)理事，并擔(dān)任計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)多媒體專委會(huì)委員、電子學(xué)會(huì)青年科學(xué)家俱樂部成員及網(wǎng)絡(luò)多媒體專委會(huì)委員、圖象圖形學(xué)會(huì)多媒體專委會(huì)委員、IEEE高級(jí)會(huì)員、《IETElectronicsLetters》編委等;入選福建省高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才百人計(jì)劃;主要研究方向?yàn)閳D像處理與計(jì)算機(jī)視覺、智能視頻編碼與通信、觸感信息與觸感網(wǎng);承擔(dān)多項(xiàng)科研項(xiàng)目;發(fā)表論文80余篇。