一種基於單幅圖像分數階處理的紋理力觸覺感知方法
2023-09-17 18:37:40 1
一種基於單幅圖像分數階處理的紋理力觸覺感知方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於單幅圖像分數階處理的紋理力觸覺感知方法，利用分數階微分算法，動態調節分數階微分算法的階數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徵角度實現對不同灰度變化率的細節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，基於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係數；計算所得合力通過手控器反饋給操作者。本發明利用分數階微分對於細節信息的敏感性，通過人為選擇階數，從不同尺度提取二維圖像信號中的紋理信息並將其轉化為摩擦阻尼控制，提高了紋理力觸覺感知的真實感。
【專利說明】一種基於單幅圖像分數階處理的紋理力觸覺感知方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於虛擬實境技術中的力觸覺再現領域，涉及一種基於單幅圖像分數階處 理的紋理力觸覺感知方法。
【背景技術】
[0002] 隨著虛擬實境技術在外科手術方針、遙操作機器人控制、虛擬製造等領域的廣泛 應用，力觸覺再現技術對於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 特的人機互動方式，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實境技術有著緊密聯繫。 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。
[0003] 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，並最終通過力/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。
[0004] 物體表面紋理的建模方法主要有三種：（1)基於圖像處理的方法；（2)基於真實測 量的方法；（3)基於數學合成的方法。
[0005] (1)基於圖像處理的方法：
[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 徵信息，然後根據這些特徵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 是由於其高度場模型是基於經驗建立而非基於物體成像原理，所恢復的表面三維輪廓並不 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。但是這些方法並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。
[0007] (2)基於真實測量的方法：
[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採用線性可變差 動變壓器測量探針在表面上移動（以接近恆定的速度）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等人採用WHaT觸覺探頭測量力 以及加速度信號用於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係到運動軌 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採用 光學表面輪廓儀掃描巖石表面並利用分形算法合成紋理模型。
[0009] (3)基於數學合成的方法：
[0010] Siira和Pai於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徵。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、傅立葉濾波和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並不存在邊緣輪廓或高度上 的對應。
[0011] 由於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，傳統的基於圖像的紋理力觸覺再現技術並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】
[0012] 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，應用於力觸覺渲染、感知的基於單幅圖像分數階處理的 紋理力觸覺感知方法。
[0013] 技術方案：本發明的基於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：
[0014] 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Y，獲得反應圖像紋理信息的增強紋理圖像；
[0015] 步驟（3)依據所述步驟（2)中獲得的梯度向量計算切向力摩擦阻尼係數，進而計 算得到切向摩擦阻尼；同時依據步驟（1)獲得的增強紋理圖像，以胡克模型為基礎，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] 本發明中，步驟（1)的具體流程為：設定至少兩個〇?2的階數代入分數階微分算 子中，得到對應的分數階微分模板，然後根據所述分數階微分模板和係數運算規則進行圖 像分解，得到一組增強紋理圖像，進而提取圖像的細節紋理信息或邊緣輪廓信息。
[0018] 本發明的優選方案中，步驟（3)中根據下式計算切向力摩擦阻尼係數：
[0019]
【權利要求】
1. 一種基於單幅圖像分數階處理的紋理力觸覺感知方法，其特徵在於：該方法包含以 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Y，獲得反應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)依據所述步驟（2)中獲得的梯度向量計算切向力摩擦阻尼係數，進而計算得 到切向摩擦阻尼； 同時依據步驟（1)獲得的增強紋理圖像，以胡克模型為基礎，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. 根據權利要求1所述基於單幅圖像分數階處理的紋理力觸覺感知方法，其特徵在 於：所述步驟（1)的具體流程為： 設定至少兩個0?2的階數代入分數階微分算子中，得到對應的分數階微分模板，然後 根據所述分數階微分模板和係數運算規則進行圖像分解，得到一組增強紋理圖像，進而獲 取圖像的細節紋理信息或邊緣輪廓信息。
3. 根據權利要求1或2所述基於單幅圖像分數階處理的紋理力觸覺感知方法，其特徵 在於：所述步驟（3)中根據下式計算切向力摩擦阻尼係數：
其中，B為待求切向力摩擦阻尼係數；k為預先設置的比例係數；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. 根據權利要求3所述基於單幅圖像分數階處理的紋理力觸覺感知方法，其特徵在 於：所述步驟（3)中人為選定的分界點mag(G) Q設置為max'（G)/2。
5. 根據權利要求1或2所述基於單幅圖像分數階處理的紋理力觸覺感知方法，其特徵 在於：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為虛擬紋理的剛度係數；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 優先權日:2014年7月9日
【發明者】宋愛國, 曹家梓, 田磊, 吳涓 申請人:東南大學