一種基于單幅圖像分?jǐn)?shù)階處理的紋理力觸覺感知方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于單幅圖像分?jǐn)?shù)階處理的紋理力觸覺感知方法，利用分?jǐn)?shù)階微分算法，動態(tài)調(diào)節(jié)分?jǐn)?shù)階微分算法的階數(shù)γ，獲取增強紋理圖像，從中提取原始圖像紋理信息，從圖像空域灰度變化特征角度實現(xiàn)對不同灰度變化率的細(xì)節(jié)紋理及邊緣輪廓的多尺度分析；對虛擬表面紋理進行力觸覺渲染，基于增強紋理圖像的梯度向量分布控制力觸覺感知模型的切向力摩擦阻尼系數(shù)；計算所得合力通過手控器反饋給操作者。本發(fā)明利用分?jǐn)?shù)階微分對于細(xì)節(jié)信息的敏感性，通過人為選擇階數(shù)，從不同尺度提取二維圖像信號中的紋理信息并將其轉(zhuǎn)化為摩擦阻尼控制，提高了紋理力觸覺感知的真實感。
【專利說明】一種基于單幅圖像分?jǐn)?shù)階處理的紋理力觸覺感知方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的力觸覺再現(xiàn)領(lǐng)域，涉及一種基于單幅圖像分?jǐn)?shù)階處 理的紋理力觸覺感知方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)在外科手術(shù)方針、遙操作機器人控制、虛擬制造等領(lǐng)域的廣泛 應(yīng)用，力觸覺再現(xiàn)技術(shù)對于虛擬操作的重要性日益顯著。力/觸覺再現(xiàn)技術(shù)提供了一種獨 特的人機交互方式，它通過觸覺感知實現(xiàn)人與交互系統(tǒng)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(lǐng)域與計算機圖形學(xué)及虛擬現(xiàn)實技術(shù)有著緊密聯(lián)系。 力/觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)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(huán)境中的用戶體驗。近年，力/觸覺再現(xiàn)技術(shù)中的一個關(guān)鍵領(lǐng)域-- 紋理力/觸覺再現(xiàn)受到了越來越多的關(guān)注。研究紋理力/觸覺再現(xiàn)的目的是產(chǎn)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(xiàn)，可以加 強虛擬物體的真實感。紋理力/觸覺再現(xiàn)技術(shù)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(zhǔn)確獲得表面細(xì)節(jié)的力/觸覺反饋是成功完成精確操作的關(guān)鍵因素。
[0003] 目前，紋理力/觸覺再現(xiàn)技術(shù)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(shè)備反饋給操作者，從而使 操作者感知紋理表面的物理信息。
[0004] 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(shù)學(xué)合成的方法。
[0005] (1)基于圖像處理的方法：
[0006] 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(jù)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(yīng)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(xiàn)圖像目標(biāo)表面幾何紋理的凹凸感，但 是由于其高度場模型是基于經(jīng)驗建立而非基于物體成像原理，所恢復(fù)的表面三維輪廓并不 真實。2007年，東南大學(xué)吳涓和宋愛國等人設(shè)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(yīng)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(fù)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。
[0007] (2)基于真實測量的方法：
[0008] 通過真實測量建立紋理模型的方法精度高，但是對測量設(shè)備要求高、成本高。依據(jù) 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(guān)系到運動軌 跡的震動幅度。非接觸式方法主要利用光學(xué)特性獲得紋理高度，如Costa和Cutkosky采用 光學(xué)表面輪廓儀掃描巖石表面并利用分形算法合成紋理模型。
[0009] (3)基于數(shù)學(xué)合成的方法：
[0010] Siira和Pai于1996年首先利用高斯函數(shù)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(yīng)用了 分形布朗運動函數(shù)、傅里葉濾波和Perlin噪聲等數(shù)學(xué)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(yīng)。
[0011] 由于真實場景中的物體所包含的三維輪廓信息、表面細(xì)節(jié)紋理信息在成像過程中 均被映射入二維圖像中，傳統(tǒng)的基于圖像的紋理力觸覺再現(xiàn)技術(shù)并未對這些信息加以區(qū) 分，直接對二維圖像進行力觸覺渲染，造成細(xì)節(jié)紋理丟失、輪廓識別與紋理感知結(jié)果誤判。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 技術(shù)問題：本發(fā)明提供一種動態(tài)調(diào)節(jié)參數(shù)，實現(xiàn)對圖像邊緣輪廓、細(xì)節(jié)紋理的多尺 度分析，提取圖像的三維紋理信息，應(yīng)用于力觸覺渲染、感知的基于單幅圖像分?jǐn)?shù)階處理的 紋理力觸覺感知方法。
[0013] 技術(shù)方案：本發(fā)明的基于單幅圖像分?jǐn)?shù)階處理的紋理力觸覺感知方法，包含以下 步驟：
[0014] 步驟（1)利用分?jǐn)?shù)階微分算法進行紋理信息提?。簞討B(tài)調(diào)節(jié)分?jǐn)?shù)階微分算法中微 分運算的階數(shù)Y，獲得反應(yīng)圖像紋理信息的增強紋理圖像；
[0015] 步驟（3)依據(jù)所述步驟（2)中獲得的梯度向量計算切向力摩擦阻尼系數(shù)，進而計 算得到切向摩擦阻尼；同時依據(jù)步驟（1)獲得的增強紋理圖像，以胡克模型為基礎(chǔ)，建立法 向力模型，進而計算得到法向力。
[0016] 步驟（4)計算紋理感知合力，由手控器反饋給操作者。
[0017] 本發(fā)明中，步驟（1)的具體流程為：設(shè)定至少兩個〇?2的階數(shù)代入分?jǐn)?shù)階微分算 子中，得到對應(yīng)的分?jǐn)?shù)階微分模板，然后根據(jù)所述分?jǐn)?shù)階微分模板和系數(shù)運算規(guī)則進行圖 像分解，得到一組增強紋理圖像，進而提取圖像的細(xì)節(jié)紋理信息或邊緣輪廓信息。
[0018] 本發(fā)明的優(yōu)選方案中，步驟（3)中根據(jù)下式計算切向力摩擦阻尼系數(shù)：
[0019]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于單幅圖像分?jǐn)?shù)階處理的紋理力觸覺感知方法，其特征在于：該方法包含以 下步驟： 步驟（1)利用分?jǐn)?shù)階微分算法進行紋理信息提?。簞討B(tài)調(diào)節(jié)分?jǐn)?shù)階微分算法中微分運 算的階數(shù)Y，獲得反應(yīng)圖像紋理信息的增強紋理圖像； 步驟⑵針對所述步驟⑴中獲得的增強紋理圖像，計算其梯度向量； 步驟（3)依據(jù)所述步驟（2)中獲得的梯度向量計算切向力摩擦阻尼系數(shù)，進而計算得 到切向摩擦阻尼； 同時依據(jù)步驟（1)獲得的增強紋理圖像，以胡克模型為基礎(chǔ)，建立法向力模型，進而計 算得到法向力； 步驟（4)計算紋理感知合力，由手控器反饋給操作者。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于單幅圖像分?jǐn)?shù)階處理的紋理力觸覺感知方法，其特征在 于：所述步驟（1)的具體流程為： 設(shè)定至少兩個0?2的階數(shù)代入分?jǐn)?shù)階微分算子中，得到對應(yīng)的分?jǐn)?shù)階微分模板，然后 根據(jù)所述分?jǐn)?shù)階微分模板和系數(shù)運算規(guī)則進行圖像分解，得到一組增強紋理圖像，進而獲 取圖像的細(xì)節(jié)紋理信息或邊緣輪廓信息。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于單幅圖像分?jǐn)?shù)階處理的紋理力觸覺感知方法，其特征 在于：所述步驟（3)中根據(jù)下式計算切向力摩擦阻尼系數(shù)：
其中，B為待求切向力摩擦阻尼系數(shù)；k為預(yù)先設(shè)置的比例系數(shù)；mag(G)為梯度向量模 值；max'（G)為圖像所有像素點梯度向量模值最大值；mag(G)Q為人為選定的分界點。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述基于單幅圖像分?jǐn)?shù)階處理的紋理力觸覺感知方法，其特征在 于：所述步驟（3)中人為選定的分界點mag(G) Q設(shè)置為max'（G)/2。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述基于單幅圖像分?jǐn)?shù)階處理的紋理力觸覺感知方法，其特征 在于：所述步驟（3)中建立的法向力模型為：
其中，6為待求法向力；K為虛擬紋理的剛度系數(shù)；f(x，y)為增強紋理圖像的歸一化 灰度矩陣在（x，y)處的值，代表虛擬紋理的高度；5為垂直方向單位向量。
【文檔編號】G06T5/00GK104050683SQ201410325969
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】宋愛國, 曹家梓, 田磊, 吳涓 申請人:東南大學(xué)