一种基于单幅图像分数阶处理的纹理力触觉感知方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于单幅图像分数阶处理的纹理力触觉感知方法，利用分数阶微分算法，动态调节分数阶微分算法的阶数γ，获取增强纹理图像，从中提取原始图像纹理信息，从图像空域灰度变化特征角度实现对不同灰度变化率的细节纹理及边缘轮廓的多尺度分析；对虚拟表面纹理进行力触觉渲染，基于增强纹理图像的梯度向量分布控制力触觉感知模型的切向力摩擦阻尼系数；计算所得合力通过手控器反馈给操作者。本发明利用分数阶微分对于细节信息的敏感性，通过人为选择阶数，从不同尺度提取二维图像信号中的纹理信息并将其转化为摩擦阻尼控制，提高了纹理力触觉感知的真实感。
【专利说明】一种基于单幅图像分数阶处理的纹理力触觉感知方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于虚拟现实技术中的力触觉再现领域，涉及一种基于单幅图像分数阶处 理的纹理力触觉感知方法。
【背景技术】
[0002] 随着虚拟现实技术在外科手术方针、遥操作机器人控制、虚拟制造等领域的广泛 应用，力触觉再现技术对于虚拟操作的重要性日益显著。力/触觉再现技术提供了一种独 特的人机交互方式，它通过触觉感知实现人与交互系统的双向互动。其研究主要涉及算法 和虚拟物体触感的生成及渲染，这一领域与计算机图形学及虚拟现实技术有着紧密联系。 力/触觉再现系统通过利用触觉向用户提供了对虚拟世界更加自然和真实的接触，从而进 一步提升多媒体合成环境中的用户体验。近年，力/触觉再现技术中的一个关键领域-- 纹理力/触觉再现受到了越来越多的关注。研究纹理力/触觉再现的目的是产生更加真实 的虚拟物体。表面没有纹理的物体其触感是平滑的，而通过引入纹理力/触觉再现，可以加 强虚拟物体的真实感。纹理力/触觉再现技术通过提供接触物体时的接触力，能够帮助用 户感知和识别物体。准确获得表面细节的力/触觉反馈是成功完成精确操作的关键因素。
[0003] 目前，纹理力/触觉再现技术主要是通过建立物体表面纹理的三维模型，进行纹 理力/触觉渲染计算得到纹理接触力，并最终通过力/触觉交互设备反馈给操作者，从而使 操作者感知纹理表面的物理信息。
[0004] 物体表面纹理的建模方法主要有三种：（1)基于图像处理的方法；（2)基于真实测 量的方法；（3)基于数学合成的方法。
[0005] (1)基于图像处理的方法：
[0006] 图像的纹理表面建模方法首先利用图像处理算法获得图像中物体表面纹理的特 征信息，然后根据这些特征信息得到纹理高度轮廓。2005年，LeMercier等人提出了四种像 素亮度与对应点三维高度的映射方法，重建纹理图像所反映表面的微观三维几何形状，进 而完成力/触觉的渲染。这种方法虽然可以有效重现图像目标表面几何纹理的凹凸感，但 是由于其高度场模型是基于经验建立而非基于物体成像原理，所恢复的表面三维轮廓并不 真实。2007年，东南大学吴涓和宋爱国等人设计了高斯滤波器对图像进行空间滤波，将高频 部分作为纹理表面，分别应用胡克定律和摩擦力公式计算虚拟探针对纹理表面作用的法向 力和摩擦力，这种方法只能是操作者感知图像边。2008年，Vasudevan等人提出了一种力渲 染掩模的概念，通过子图像与力渲染掩模相乘，有效地对图像的边缘和纹理进行力/触觉 渲染。但是这些方法并未恢复虚拟表面的微观三维轮廓与纹理信息，仅使操作者感知其边 缘或者粗糙度。
[0007] (2)基于真实测量的方法：
[0008] 通过真实测量建立纹理模型的方法精度高，但是对测量设备要求高、成本高。依据 测量方式可分为接触式测量法与非接触式测量法。前者有Wall和Harwin采用线性可变差 动变压器测量探针在表面上移动（以接近恒定的速度）时的位移，可获得较好的纹理模型， 但是缺少力测量，只能得到表面粗糙度信息。Jchen Lang等人采用WHaT触觉探头测量力 以及加速度信号用于评估的表面粗糙度和刚度，同时由加速度信号做二次积分获得纹理高 度。接触式测量法不能囊括整个表面的二维纹理信息，且针针尖的大小直接关系到运动轨 迹的震动幅度。非接触式方法主要利用光学特性获得纹理高度，如Costa和Cutkosky采用 光学表面轮廓仪扫描岩石表面并利用分形算法合成纹理模型。
[0009] (3)基于数学合成的方法：
[0010] Siira和Pai于1996年首先利用高斯函数合成表面纹理模型。其原理是真实物体 表面的纹理大部分都具有高斯分布特征。1999年，Ho等人提出的纹理合成模型综合应用了 分形布朗运动函数、傅里叶滤波和Perlin噪声等数学方法。但是这种合成的方法所得到的 纹理模型只是粗糙度上与真实纹理相近，事实上其与真实纹理并不存在边缘轮廓或高度上 的对应。
[0011] 由于真实场景中的物体所包含的三维轮廓信息、表面细节纹理信息在成像过程中 均被映射入二维图像中，传统的基于图像的纹理力触觉再现技术并未对这些信息加以区 分，直接对二维图像进行力触觉渲染，造成细节纹理丢失、轮廓识别与纹理感知结果误判。
【发明内容】
[0012] 技术问题：本发明提供一种动态调节参数，实现对图像边缘轮廓、细节纹理的多尺 度分析，提取图像的三维纹理信息，应用于力触觉渲染、感知的基于单幅图像分数阶处理的 纹理力触觉感知方法。
[0013] 技术方案：本发明的基于单幅图像分数阶处理的纹理力触觉感知方法，包含以下 步骤：
[0014] 步骤（1)利用分数阶微分算法进行纹理信息提取：动态调节分数阶微分算法中微 分运算的阶数Y，获得反应图像纹理信息的增强纹理图像；
[0015] 步骤（3)依据所述步骤（2)中获得的梯度向量计算切向力摩擦阻尼系数，进而计 算得到切向摩擦阻尼；同时依据步骤（1)获得的增强纹理图像，以胡克模型为基础，建立法 向力模型，进而计算得到法向力。
[0016] 步骤（4)计算纹理感知合力，由手控器反馈给操作者。
[0017] 本发明中，步骤（1)的具体流程为：设定至少两个〇?2的阶数代入分数阶微分算 子中，得到对应的分数阶微分模板，然后根据所述分数阶微分模板和系数运算规则进行图 像分解，得到一组增强纹理图像，进而提取图像的细节纹理信息或边缘轮廓信息。
[0018] 本发明的优选方案中，步骤（3)中根据下式计算切向力摩擦阻尼系数：
[0019]
【权利要求】
1. 一种基于单幅图像分数阶处理的纹理力触觉感知方法，其特征在于：该方法包含以 下步骤： 步骤（1)利用分数阶微分算法进行纹理信息提取：动态调节分数阶微分算法中微分运 算的阶数Y，获得反应图像纹理信息的增强纹理图像； 步骤⑵针对所述步骤⑴中获得的增强纹理图像，计算其梯度向量； 步骤（3)依据所述步骤（2)中获得的梯度向量计算切向力摩擦阻尼系数，进而计算得 到切向摩擦阻尼； 同时依据步骤（1)获得的增强纹理图像，以胡克模型为基础，建立法向力模型，进而计 算得到法向力； 步骤（4)计算纹理感知合力，由手控器反馈给操作者。
2. 根据权利要求1所述基于单幅图像分数阶处理的纹理力触觉感知方法，其特征在 于：所述步骤（1)的具体流程为： 设定至少两个0?2的阶数代入分数阶微分算子中，得到对应的分数阶微分模板，然后 根据所述分数阶微分模板和系数运算规则进行图像分解，得到一组增强纹理图像，进而获 取图像的细节纹理信息或边缘轮廓信息。
3. 根据权利要求1或2所述基于单幅图像分数阶处理的纹理力触觉感知方法，其特征 在于：所述步骤（3)中根据下式计算切向力摩擦阻尼系数：
其中，B为待求切向力摩擦阻尼系数；k为预先设置的比例系数；mag(G)为梯度向量模 值；max'（G)为图像所有像素点梯度向量模值最大值；mag(G)Q为人为选定的分界点。
4. 根据权利要求3所述基于单幅图像分数阶处理的纹理力触觉感知方法，其特征在 于：所述步骤（3)中人为选定的分界点mag(G) Q设置为max'（G)/2。
5. 根据权利要求1或2所述基于单幅图像分数阶处理的纹理力触觉感知方法，其特征 在于：所述步骤（3)中建立的法向力模型为：
其中，6为待求法向力；K为虚拟纹理的刚度系数；f(x，y)为增强纹理图像的归一化 灰度矩阵在（x，y)处的值，代表虚拟纹理的高度；5为垂直方向单位向量。
【文档编号】G06T5/00GK104050683SQ201410325969
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2014年7月9日
【发明者】宋爱国, 曹家梓, 田磊, 吴涓 申请人:东南大学