[發明專利]基于線性素描圖像的力渲染方法

在審

• 申請號: 201710176364.9
• 申請日: 2017-03-23
• 公開（公告）號: CN107170032A
• 公開（公告）日: 2017-09-15
• 發明（設計）人: 孫偉;徐慧;張小瑞;劉佳;朱利豐;宋愛國
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G06T15/00
• 分類號: G06T15/00
• 代理公司: 江蘇愛信律師事務所32241
• 代理人: 趙贊贊

技術領域

本發明屬于虛擬現實技術中的力渲染技術領域，具體涉及基于線性素描圖像的力渲染方法。

背景技術

在現實生活中，素描圖像隨處可見。素描圖像通過簡單的線條就可以把物體的輪廓和細節特征表達出來。甚至在藝術領域有著“觸覺素描”這一說法，指在觀察素描圖像的時候就感覺在觸摸圖像中的物體一樣真實，說明素描對物體特征細節的表達足夠精細、完整。簡單、明了的素描圖像包含著物體的更多細節，所以研究素描圖像也有著其存在的優勢。

在虛擬現實中，力渲染技術是關鍵技術之一。通過對圖像處理的方法進行力渲染技術具有快速、成本低的特點。

發明內容

本發明采用合理的算法對圖像進行處理，建立力渲染模型。旨在圖像的基礎上進行力觸覺再現，并通過力觸覺再現裝置反饋給操作者，達到讓操作者感知圖像中物體的輪廓特征和表面細節特征，擁有沉浸式的體驗。

A、彩色圖像轉換成線性素描圖像分為以下四個步驟：

A-1)將彩色圖像通過以下公式轉換成灰度圖像：

Y₁＝a×R+b×G+c×B

其中，Y₁是灰度圖像各像素點的像素值；a,b,c分別表示紅，綠，藍分量的權重值；R,G,B 分別表示彩色空間中紅，綠，藍分量；

A-2)將轉換后的灰度圖像用下面的公式進行反轉處理得到相應的負像，負像中每個像素點的像素值用Y₂表示：

Y₂＝255-Y₁

A-3)將負像進行高斯模糊處理：采用3×3的高斯核對圖像進行模糊處理，權重函數 T(i,j)采用二維高斯函數：

其中σ為正態分布的標準偏差；e是自然常數；(i,j)表示權重矩陣中元素坐標；模糊半徑假定模糊半徑r＝1，則權重前的矩陣為：

A-4)對模糊處理后的圖像進行顏色減淡混合處理，最終得到線性素描圖像；

B、生成的線性素描圖像包括物體的輪廓特征部分和表面細節特征部分，對這兩部分采用不同的方式進行力渲染；

B-1)輪廓特征部分采用god-object算法：其中虛擬接觸點(HIP，Haptic Interaction Point) 在表面輪廓線內側，god-object點在表面輪廓線上且距離HIP最近，在god-object算法中，

虛擬彈簧中的單位剛度能量方程Q為：

坐標(x,y,z)滿足的約束條件為：a_mx+b_my+c_mz＝d_m，

其中，(x,y,z)分別為點god-object位置坐標，(x_t,y_t,z_t)為HIP位置坐標，a_m,b_m,c_m,d_m為常數，則輪廓力方程L為：

L＝Q+l₁(a₁x+b₁y+c₁z-d₁)+l₂(a₂x+b₂y+c₂z-d₂)+l₃(a₃x+b₃y+c₃z-d₃)

其中，l₁,l₂,l₃表示各約束條件的權重值，a₁,a₂,a₃屬于a_m，b₁,b₂,b₃屬于b_m，c₁,c₂,c₃屬于c_m，d₁,d₂,d₃屬于d_m；

B-2)利用拉格朗日乘子法得到新的god-object點的位置并再次計算輪廓力；

B-3)表面細節特征部分直接利用灰度值計算表面紋理力：

垂直表面的法向力F_n為：F_n＝k×value