[ca] En aquesta tesi es presenta un novedós enfocament per a la percepció hàptica del relleu de models virtuals complexes mitjançant la simulació de les forces d'interacció entre la superfície i un element de contacte. La proposta contribueix a l'estat de l'art de la recerca en aquesta àrea incrementant l'eficiència i la fidelitat de la interacció hàptica amb grans malles de triangles. La detecció de col·lisions amb malles denses (centenars de milers de triangles) limita la velocitat de resposta hàptica degut al gran nombre d'avaluacions d'intersecció cara-dispositiu hàptic que s'han de realitzar. Es van identificar diferents alternatives per a incrementar el rendiment hàptic: arquitectures de software i estructures de dades específiques, algorismes de detecció de col·lisions i reproducció hàptica de relleu superficial. En aquesta tesi es presenten contribucions en alguns d'aquests aspectes. S'ha proposat una estructura completa de components per a transformar aplicacions de Realitat Virtual en Ambients Col·laboratius de Realitat Virtual (CRVEs) multithread en xarxa. L'arquitectura proposada inclou: una topologia escalable punt a punt per a compartir escenes; components multithread per a visualització gràfica, interacció amb usuaris i comunicació en xarxa; un model d'interfície d'usuari col·laboratiu per a la gestió de sessions; i rols intercanviables de l'usuari amb perspectives de múltiples càmeres, presència d'avatars i anotacions compartides. L'estructura s'ha validat convertint el navegador ALICE en un CVRE completament funcional, mostrant un bon rendiment en la manipulació col·laborativa de models complexes. Per a incrementar l'eficiència del càlcul de col·lisions, s'ha proposat un algorisme que treballa en un espai conforme R{4,1} (5D) que permet detectar col·lisions entre punts, segments, triangles i volums. Aquest algorisme s'ha implementat en GPU per obtenir una execució paral·lela més ràpida. Els resultats mostren reduccions en el temps de càlcul de col·lisions permetent interactivitat. Per a la percepció hàptica de malles complexes que modelen objectes rugosos, s'han proposat diferents algorismes i estructures de dades. Les denominades Mesoestructures Híbrides de Rugositat (HRM) permeten substituir els detalls geomètrics d'una cara (rugositats) per dues textures: de normals i d'alçades. La percepció hàptica s'aconsegueix modulant la força de resposta entre el dispositiu hàptic i la HRM. Els tests per avaluar experimentalment l'eficiència del càlcul de col·lisions i la percepció hàptica utilitzant HRM respecte a modelar les rugositats amb geometria, van mostrar que la tècnica proposada va ser encertada, permetent percebre detalls 3D correctes a altes tases de mostreig. El mètode es va estendre per a representar rugositats d'objectes. Es proposa substituir l'objecte per un model simplificat i un atles de mesoestructures en el que s'usen textures de normals i de relleus (HyRMA). Aquest atles s'obté a partir de la diferència en el detall de la superfície entre dos malles del mateix objecte: l'original i la simplificada. A partir d'un triangle de la malla simplificada es construeix un prisma, definit pels vèrtexs del triangle i les seves normals, que engloba el relleu de la malla original sobre el triangle. Les alçades i normals dins del prisma es transformen des de l'espai de volum a l'espai ortogonal tangent, amb mètode novedós i eficient que calcula les coordenades baricèntriques relatives al prisma, per a guardar el mapa de textures transformat en un atles ordenat. La percepció hàptica s'assoleix detectant les col·lisions entre el dispositiu hàptic i l'atles, i modulant la força de resposta d'acord al resultat de la col·lisió. El mètode s'ha validat numèricament, estadística i perceptual en tests amb usuaris, aconseguint una correcta i interactiva sensació tàctil dels objectes simulats mitjançant la mesoestructura de les malles

[en] The present document exposes a different approach for haptic rendering, defined as the simulation of force interactions to reproduce the sensation of surface relief in dense models. Current research shows open issues in timely haptic interaction involving large meshes, with several problems affecting performance and fidelity, and without a dominant technique to treat these issues properly. Relying in pure geometric collisions when rendering highly dense mesh models (hundreds of thousands of triangles) sensibly degrades haptic rates due to the sheer number of collisions that must be tracked between the mesh's faces and a haptic probe. Several bottlenecks were identified in order to enhance haptic performance: software architecture and data structures, collision detection, and accurate rendering of surface relief. To account for overall software architecture and data structures, it was derived a complete component framework for transforming standalone VR applications into full-fledged multi-threaded Collaborative Virtual Reality Environments (CVREs), after characterizing existing implementations into a feature-rich superset. Enhancements include: a scalable arbitrated peer-to-peer topology for scene sharing; multi-threaded components for graphics rendering, user interaction and network communications; a collaborative user interface model for session handling; and interchangeable user roles with multi-camera perspectives, avatar awareness and shared annotations. We validate the framework by converting the existing ALICE VR Navigator into a complete CVRE, showing good performance in collaborative manipulation of complex models. To specifically address collision detection computation, we derive a conformal algebra treatment for collisions among points, segments, areas, and volumes, based on collision detection in conformal R{4,1} (5D) space, and implemented in GPU for faster parallel queries. Results show orders of magnitude time reductions in collisions computations, allowing interactive rates. Finally, the main core of the research is the haptic rendering of surface mesostructure in large meshes. Initially, a method for surface haptic rendering was proposed, using image-based Hybrid Rugosity Mesostructures (HRMs) of per-face heightfield displacements and normalmaps layered on top of a simpler mesh, adding greater surface detail than actually present. Haptic perception is achieved modulating the haptic probe's force response using the HRM coat. A usability testbed framework was built to measure experimental performance with a common set tests, meshes and HRMs. Trial results show the goodness of the proposed technique, rendering accurate 3D surface detail at high sampling rates. This local per-face method is extended into a fast global approach for haptic rendering, building a mesostructure-based atlas of depth/normal textures (HyRMA), computed out of surface differences of the same mesh object at two different resolutions: original and simplified. For each triangle in the simplified mesh, an irregular prism is considered defined by the triangle's vertices and their normals. This prism completely covers the original mesh relief over the triangle. Depth distances and surfaces normals within each prism are warped from object volume space to orthogonal tangent space, by means of a novel and fast method for computing barycentric coordinates at the prism, and storing normals and relief in a sorted atlas. Haptic rendering is effected by colliding the probe against the atlas, and effecting a modulated force response at the haptic probe. The method is validated numerically, statistically and perceptually in user testing controlled trials, achieving accurate haptic sensation of large meshes' fine features at interactive rendering rates, with some minute loss of mesostructure detail.