应用于静电力触觉再现装置的多参量视觉对象渲染方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及应用于静电力触觉再现装置的多参量视觉对象渲染方法，属于虚拟现实与人机交互领域。根据触摸点定位获取当前视觉对象的目标像素点，计算目标像素点的像素力、色调、粗糙度信息，利用像素力与色调信息来映射静电力激励信号的幅度参量，利用粗糙度信息来映射静电力激励信号的频率分量，根据两种映射关系合成静电力激励信号，实现对视觉对象中的特征信息的实时渲染。本发明专利技术的优点在于：用颜色变化表征纹理信息，有效避免了用灰度变化表征纹理信息所导致的彩色图像在灰度变换后丢失纹理信息的缺点；结合色彩心理学理论和人类主观频率刺激感知特性，建立静电力激励信号幅度和频率分量的映射关系，提供一种更符合人类触觉感知特性的触觉体验，提高了视觉对象触觉再现的真实感。

【技术实现步骤摘要】
应用于静电力触觉再现装置的多参量视觉对象渲染方法
本专利技术属于虚拟现实与人机交互领域，尤其涉及一种应用于静电力触觉再现装置的多参量视觉对象渲染方法。
技术介绍
触觉再现是当前人机交互与虚拟现实领域内的前沿技术，能够给人提供更好的沉浸式体验，相较于传统的视觉和听觉，触觉更注重人机的交互性。其中静电触觉再现技术是目前国际触觉再现的研究热点和重点，在教育教学、商业展示、医学治疗和娱乐等领域有着广阔的发展前景。静电力触觉再现技术主要是根据库伦定律，利用静电力吸引原理，通过调节手指与触觉再现面板间的摩擦力提供触觉体验。静电力触觉再现面板有玻璃底板、透明导电极板、透明绝缘薄膜组成。当激励信号施加于导电极板时，绝缘薄膜内部正负电荷周期性“跳跃”，从而产生一个周期性变化的电场。当手指触摸再现面板时，手指因电荷感应而周期性携带正负电荷，电荷间库仑力相互作用，使手指感知触觉力作用。可以通过对激励信号的参量控制，改变指尖所受摩擦力，进而产生不同的触觉体验像素力的概念源于Bucha等人提出的像素力场算法，其中将每个像素点的像素力定义为一个指向颜色变化方向的二维矢量，来表征该像素在邻域内的颜色变化。当颜色变化剧烈时，像素力就大；当颜色变化平缓时，像素力就小。像素力有效的反映了彩色图像的颜色的变化情况，可以反映彩色图像的纹理信息，并且克服了用图像灰度信息变化表征纹理信息，容易出现纹理丢失的缺点。根据色彩和空间感的心理作用：暖色调颜色有扩散作用，使物体轮廓给人以膨胀的感觉；而冷色调的颜色具有内聚作用，使物体轮廓给人以膨胀的感觉。此外不同的颜色可使人对色彩产生距离上的变化，造成人对物体由进、退、凸、凹、远、近等不同的感觉。所以结合色调信息，当像素为暖色调时，放大像素力给人以膨胀的感觉；当像素为冷色调时，缩小像素力给人以收缩的感觉，是一种更符合人类心理感受的映射方法。触觉再现渲染算法是在触觉再现装置基础上进一步提高触觉再现真实感的保证。近年来，随着触觉再现技术越来越受到国内外企业和研究机构的关注，多媒体终端触觉再现渲染方法研究得到了不断地发展。目前，已经有了一些触觉再现的渲染方法。中国专利CN102331838A中公开了一种基于深度等高线的图像的振动触觉表达方法，它首先对图像进行灰度处理，然后提取深度信息，将深度信息转化为振动触觉刺激。中国专利CN106919257A中公开了一种基于图像亮度信息力触觉交互纹理力再现方法，通过对图像灰度信息进行预处理，结合运动学原理，在虚拟接触点产生相应纹理的接触力。中国专利CN107103637A中公开了一种增强纹理力方法，采用SFS算法中的演化方法从二维纹理图像中物体表面的明暗变化来恢复表面各点的相对高度重建表面三维微观形状，在传统的的纹理力触觉再现方法的基础上增加一个梯度反馈力，进而实现触觉渲染。但是，这类触觉再现的渲染方法利用图像的灰度变化表征纹理信息，丢弃了颜色特征，使得渲染结果容易出现失真。中国专利CN103869984A中公开了一种基于纹理图片的力触觉再现方法，通过提取图像的纹理特征，并对其进行力触觉建模，测算纹理力合力，通过手控器输出反馈给操作者。中国专利CN104050683A中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系数，计算所得合力通过手控器输出反馈给操作者。但是，这类触觉再现方法基于手控器呈现触觉，不能实现裸指交互，交互过程的自然感较差。中国专利CN104199554A中公开了一种应用于静电力触觉再现装置的凸起几何模型算法和凹陷几何模型算法，采用正弦高度模型分别对凸起和凹陷的几何形状建模，建立静电力驱动信号与凸起和凹陷形状的映射关系，可以产生明显的凸起和凹陷的触觉感。这种触觉再现算法，有效实现了对凸起几何图形的触觉再现，但是不能应用于图案复杂的视觉对象的触觉再现。通过上述分析，现有触觉再现的算法研究不足，大多是通过将灰度信息来表征触觉纹理信息，但是存在彩色图像在灰度变换后丢失纹理信息的缺点，并且没能结合视觉的心理效应。目前基于静电力触觉再现装置的渲染方法较少，还需研究静电力激励信号的幅度，频率等参量的触觉特性，去提供更真实自然的触觉效果，更符合人心理感受的触觉再现方式。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于静电力触觉再现装置的多参量视觉对象渲染方法，通过颜色变化表征纹理信息，解决图像灰度处理过程中造成纹理缺失的问题；利用色调对触觉力缩放，使触觉效果更符合人的心理感受；通过人体对静电力激励信号的频率感知特性，引入粗糙度与频率分量的映射关系，实现静电力激励信号两个参量共同作用实现触觉再现，提高了触觉再现的真实感。本专利技术采取的技术方案是，包括下列步骤：(1)根据手指触摸位置(xi，yi)获取当前目标像素点Pi；(2)获取图像的颜色分量矩阵：红色分量R，绿色分量G，蓝色分量B；(3)计算目标像素点Pi处的像素力Fi；(4)计算目标像素点Pi处的色调Hi；(5)计算目标像素点Pi处的粗糙度Ti；(6)将目标像素点Pi处的像素力Fi和色调Hi映射为静电力激励信号的幅度分量A；(7)将目标像素点Pi处的粗糙度Ti映射为静电力激励信号的频率分量ω；(8)根据步骤(6)和步骤(7)求得的幅度分量A和频率分量ω合成静电力激励信号V(t)。本专利技术所述步骤(3)中目标像素点Pi处的像素力Fi的计算过程如下：1)计算以目标像素点Pi为中心像素的n×n(n为正整数)邻域N内，任意位置(xj，yj)处的像素Pj(Pi≠Pj)与Pi的像素交互力Fi，j：Fi,j＝K(Qi,Qj)·D(Xi,Xj)·ri,j其中：K(Qi,Qj)是表征2个像素颜色差异的函数，Qi和Qj为像素Pi和Pj的颜色向量，公式表示为:式中Ri为目标像素点Pi的红色分量，Rj为像素Pj的红色分量，Gi为目标像素点Pi的绿色分量，Gj为像素Pj的绿色分量，Bi为目标像素点Pi的蓝色分量，Bj为像素Pj的蓝色分量；D(Xi,Xj)是表征2个像素空间关系的函数，Xi和Xj为像素Pi和Pj的位置坐标：Xi＝(xi,yi)，Xj＝(xj,yj)。D(Xi,Xj)公式表示为：ri,j是由像素Pi指向的Pj的单位向量；2)计算目标像素点Pi的像素力Fi：本专利技术所述步骤(4)中目标像素点Pi处的色调Hi的计算过程如下：其中：本专利技术所述步骤(5)中目标像素点Pi处的粗糙度Ti的计算过程如下：1)计算当前显示图像的亮度矩阵I：2)计算当前显示图像的平均亮度值Iaverage：其中：M为矩阵I的行数，L为矩阵I的列数；3)计算以目标像素点Pi为中心像素的n×n邻域N内的粗糙度Ti：本专利技术所述步骤(6)中将目标像素点Pi处的像素力Fi和色调Hi映射为静电力激励信号的幅度分量A的过程如下：1)当像素为暖色调时，放大像素力给人以膨胀的感觉；当像素为冷色调时，缩小像素力给人以收缩的感觉。因此，目标像素点Pi处的触觉力F为：F＝ke×|Fi|其中：ke为胀缩感系数，a＞1，由于力的方向与幅值一起变化时，人的力感知最小识别差异最高可达30％，即人肯定可以感知幅值大于30％的力的变化，所以这里a取为1.3；|Fi|为目标像素点处的像素力Fi的幅值；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于静电力触觉再现装置的多参量视觉对象渲染方法，其特征在于，包括下列步骤：(1)根据手指触摸位置(xi，yi)获取当前目标像素点Pi；(2)获取图像的颜色分量矩阵：红色分量R，绿色分量G，蓝色分量B；(3)计算目标像素点Pi处的像素力Fi；(4)计算目标像素点Pi处的色调Hi；(5)计算目标像素点Pi处的粗糙度Ti；(6)将目标像素点Pi处的像素力Fi和色调Hi映射为静电力激励信号的幅度分量A；(7)将目标像素点Pi处的粗糙度Ti映射为静电力激励信号的频率分量ω；(8)根据步骤(6)和步骤(7)求得的幅度分量A和频率分量ω合成静电力激励信号V(t)。

【技术特征摘要】
1.一种应用于静电力触觉再现装置的多参量视觉对象渲染方法，其特征在于，包括下列步骤：(1)根据手指触摸位置(xi，yi)获取当前目标像素点Pi；(2)获取图像的颜色分量矩阵：红色分量R，绿色分量G，蓝色分量B；(3)计算目标像素点Pi处的像素力Fi；(4)计算目标像素点Pi处的色调Hi；(5)计算目标像素点Pi处的粗糙度Ti；(6)将目标像素点Pi处的像素力Fi和色调Hi映射为静电力激励信号的幅度分量A；(7)将目标像素点Pi处的粗糙度Ti映射为静电力激励信号的频率分量ω；(8)根据步骤(6)和步骤(7)求得的幅度分量A和频率分量ω合成静电力激励信号V(t)。2.如权利要求1所述的一种应用于静电力触觉再现装置的多参量视觉对象渲染方法，其特征在于：步骤(3)目标像素点Pi处的像素力Fi的计算过程如下：1)计算以目标像素点Pi为中心像素的n×n，n为正整数，邻域N内，任意位置(xj，yj)处的像素Pj与Pi的像素交互力Fi，j，Pi≠Pj；Fi,j＝K(Qi,Qj)·D(Xi,Xj)·ri,j其中：K(Qi,Qj)是表征2个像素颜色差异的函数，Qi和Qj为像素Pi和Pj的颜色向量，公式表示为:式中Ri为目标像素点Pi的红色分量，Rj为像素Pj的红色分量，Gi为目标像素点Pi的绿色分量，Gj为像素Pj的绿色分量，Bi为目标像素点Pi的蓝色分量，Bj为像素Pj的蓝色分量；D(Xi,Xj)是表征2个像素空间关系的函数，Xi和Xj为像素Pi和Pj的位置坐标：Xi＝(xi,yi)，Xj＝(xj,yj)，D(Xi,Xj)公式表示为：ri,j是由像素Pi指向的Pj的单位向量；2)计算目标像素点Pi的像素力Fi：3.如权利要求1所述的一种应用于静电力触觉再现装置的多参量视觉对象渲染方法，其特征在于：步骤(4)目标像素点Pi处的色调Hi的计算过程如下：其中：4.如权利要求1所述的一种应用于静电力触觉再现装置的多参量视觉对象渲染方法，其特征在于：步骤(5)目标像素点Pi处的局部粗糙度Ti的计算过程如下：1)计算当前显示图像的亮...

【专利技术属性】
技术研发人员：燕学智，武秋爽，孙晓颖，刘国红，王晓翠，王海云，张晨，张佳丽，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22