[發明專利]一種基于單幅圖像分數階處理的紋理力觸覺感知方法

在審

• 申請號: 201410325969.6
• 申請日: 2014-07-09
• 公開（公告）號: CN104050683A
• 公開（公告）日: 2014-09-17
• 發明（設計）人: 宋愛國;曹家梓;田磊;吳涓
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06T7/40;G06T5/00;G06F3/01
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明屬于虛擬現實技術中的力觸覺再現領域，涉及一種基于單幅圖像分數階處理的紋理力觸覺感知方法。

背景技術

隨著虛擬現實技術在外科手術方針、遙操作機器人控制、虛擬制造等領域的廣泛應用，力觸覺再現技術對于虛擬操作的重要性日益顯著。力/觸覺再現技術提供了一種獨特的人機交互方式，它通過觸覺感知實現人與交互系統的雙向互動。其研究主要涉及算法和虛擬物體觸感的生成及渲染，這一領域與計算機圖形學及虛擬現實技術有著緊密聯系。力/觸覺再現系統通過利用觸覺向用戶提供了對虛擬世界更加自然和真實的接觸，從而進一步提升多媒體合成環境中的用戶體驗。近年，力/觸覺再現技術中的一個關鍵領域——紋理力/觸覺再現受到了越來越多的關注。研究紋理力/觸覺再現的目的是產生更加真實的虛擬物體。表面沒有紋理的物體其觸感是平滑的，而通過引入紋理力/觸覺再現，可以加強虛擬物體的真實感。紋理力/觸覺再現技術通過提供接觸物體時的接觸力，能夠幫助用戶感知和識別物體。準確獲得表面細節的力/觸覺反饋是成功完成精確操作的關鍵因素。

目前，紋理力/觸覺再現技術主要是通過建立物體表面紋理的三維模型，進行紋理力/觸覺渲染計算得到紋理接觸力，并最終通過力/觸覺交互設備反饋給操作者，從而使操作者感知紋理表面的物理信息。

物體表面紋理的建模方法主要有三種：(1)基于圖像處理的方法；(2)基于真實測量的方法；(3)基于數學合成的方法。

(1)基于圖像處理的方法：

圖像的紋理表面建模方法首先利用圖像處理算法獲得圖像中物體表面紋理的特征信息，然后根據這些特征信息得到紋理高度輪廓。2005年，LeMercier等人提出了四種像素亮度與對應點三維高度的映射方法，重建紋理圖像所反映表面的微觀三維幾何形狀，進而完成力/觸覺的渲染。這種方法雖然可以有效重現圖像目標表面幾何紋理的凹凸感，但是由于其高度場模型是基于經驗建立而非基于物體成像原理，所恢復的表面三維輪廓并不真實。2007年，東南大學吳涓和宋愛國等人設計了高斯濾波器對圖像進行空間濾波，將高頻部分作為紋理表面，分別應用胡克定律和摩擦力公式計算虛擬探針對紋理表面作用的法向力和摩擦力，這種方法只能是操作者感知圖像邊。2008年，Vasudevan等人提出了一種力渲染掩模的概念，通過子圖像與力渲染掩模相乘，有效地對圖像的邊緣和紋理進行力/觸覺渲染。但是這些方法并未恢復虛擬表面的微觀三維輪廓與紋理信息，僅使操作者感知其邊緣或者粗糙度。

(2)基于真實測量的方法：

通過真實測量建立紋理模型的方法精度高，但是對測量設備要求高、成本高。依據測量方式可分為接觸式測量法與非接觸式測量法。前者有Wall和Harwin采用線性可變差動變壓器測量探針在表面上移動(以接近恒定的速度)時的位移，可獲得較好的紋理模型，但是缺少力測量，只能得到表面粗糙度信息。Jchen?Lang等人采用WHaT觸覺探頭測量力以及加速度信號用于評估的表面粗糙度和剛度，同時由加速度信號做二次積分獲得紋理高度。接觸式測量法不能囊括整個表面的二維紋理信息，且針針尖的大小直接關系到運動軌跡的震動幅度。非接觸式方法主要利用光學特性獲得紋理高度，如Costa和Cutkosky采用光學表面輪廓儀掃描巖石表面并利用分形算法合成紋理模型。

(3)基于數學合成的方法：

Siira和Pai于1996年首先利用高斯函數合成表面紋理模型。其原理是真實物體表面的紋理大部分都具有高斯分布特征。1999年，Ho等人提出的紋理合成模型綜合應用了分形布朗運動函數、傅里葉濾波和Perlin噪聲等數學方法。但是這種合成的方法所得到的紋理模型只是粗糙度上與真實紋理相近，事實上其與真實紋理并不存在邊緣輪廓或高度上的對應。

由于真實場景中的物體所包含的三維輪廓信息、表面細節紋理信息在成像過程中均被映射入二維圖像中，傳統的基于圖像的紋理力觸覺再現技術并未對這些信息加以區分，直接對二維圖像進行力觸覺渲染，造成細節紋理丟失、輪廓識別與紋理感知結果誤判。

發明內容

技術問題：本發明提供一種動態調節參數，實現對圖像邊緣輪廓、細節紋理的多尺度分析，提取圖像的三維紋理信息，應用于力觸覺渲染、感知的基于單幅圖像分數階處理的紋理力觸覺感知方法。

技術方案：本發明的基于單幅圖像分數階處理的紋理力觸覺感知方法，包含以下步驟：

步驟(1)利用分數階微分算法進行紋理信息提取：動態調節分數階微分算法中微分運算的階數γ，獲得反應圖像紋理信息的增強紋理圖像；