基于圖像的力-觸覺紋理再現(xiàn)技術研究.pdf

1、隨著虛擬現(xiàn)實技術的應用范圍日益擴大，虛擬現(xiàn)實的作業(yè)任務越來越精細，感知對象越來越復雜，虛擬環(huán)境和真實環(huán)境之間需要進行大量的信息交互。當操作者與虛擬環(huán)境進行力/觸覺人機交互時，為了使操作者能夠迅速準確地完成作業(yè)任務，迫切需要對虛擬或遠地的力/觸覺紋理信息進行感知和再現(xiàn)。力/觸覺紋理再現(xiàn)技術正是一種基于人類力/觸覺感知機理的，模擬人類對實際物體表面進行力/觸覺感知過程的，實現(xiàn)對虛擬或遠地物體表面紋理信息進行感知與再現(xiàn)的人機交互技術。它充分利

2、用觸覺具有信息和能量傳遞的雙向性，提高了人類對虛擬或遠地環(huán)境的主動感知能力，有力的促進了虛擬現(xiàn)實技術在遠程醫(yī)療、教學仿真、虛擬博物館、網(wǎng)上商店和盲人上網(wǎng)等領域的應用。
　　 圖像是三維場景在二維照相機成像平面上的投影。由于在真實場景中存在兩種形式的紋理:一種是表征物體表面三維幾何變化的三維幾何紋理;另一種是繪制在物體表面上的圖案的二維顏色（灰度）紋理。因此，圖像也同時包含了表面的三維幾何紋理信息和圖案的二維顏色（灰度）紋理信息。

3、以往的基于圖像的力/觸覺紋理再現(xiàn)方法對兩種紋理信息不加以區(qū)別，往往采用單一的圖像處理、特征提取和力/觸覺渲染方法，造成目標表面的三維幾何紋理的觸感和目標表面上圖案的二維顏色（灰度）紋理的觸感經(jīng)常發(fā)生混淆，不利于操作者對虛擬環(huán)境進行力/觸覺感知和識別。
　　 本文圍繞著基于單幅圖像的力/觸覺紋理再現(xiàn)這一研究課題，開展了對(1)本征圖像分解;(2)基于從明暗恢復形狀技術的三維幾何紋理力/觸覺再現(xiàn);(3)彩色圖像紋理的力/觸覺再現(xiàn);(

4、4)灰度圖像紋理的力/觸覺再現(xiàn)等問題的研究。
　　 通過對單幅圖像進行本征圖像分解，將一幅圖像分解成明暗圖像和反射圖像兩種本征圖像。其中，明暗圖像反映了物體表面輪廓的細微變化在光照下的明暗效果，而反射圖像反映了物體外觀的本質顏色的分布特征，是不受光照影響的部分。將明暗圖像作為反映目標表面三維幾何紋理的的圖像特征，而將反射圖像作為目標表面上圖案的圖像特征?；趶拿靼祷謴托螤罴夹g，由明暗圖像重構出反映目標表面輪廓細微變化的三維虛擬表

5、面模型，通過God-object力/觸覺渲染模型渲染，將三維幾何紋理的力/觸覺感受反饋給操作者。當反射圖像為彩色圖像時，提出基于像素力場和顏色與人類空間感的心理學效應的彩色圖像紋理的力觸覺渲染方法，解決了以往圖像紋理的力/觸覺再現(xiàn)方法只能對灰度圖像紋理進行力/觸覺渲染的問題。當反射圖像為灰度圖像時，首先提出基于二維經(jīng)驗模式分解和基于分數(shù)階微分的兩種紋理提取方法。其中，基于二維經(jīng)驗模式分解的方法具有完全由數(shù)據(jù)驅動，可實現(xiàn)自適應、多尺度的紋