技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及紋理圖像的力聲生成方法，特別是一種結(jié)合刺入深度、表面法向量、表面剛度系數(shù)、表面滑動(dòng)摩擦系數(shù)和表面振動(dòng)的五要素剛性紋理圖像的力聲生成方法。阻尼系數(shù) 這五個(gè)要素，解決和輸出穩(wěn)定和連續(xù)的力-氣味，屬于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)力-聽(tīng)覺(jué)再現(xiàn)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)
圖像信息主要是通過(guò)人的視覺(jué)感知，但對(duì)于弱勢(shì)群體盲人來(lái)說(shuō)，他們無(wú)法通過(guò)視覺(jué)看到圖像，感知置換成為盲人感知圖像的必然選擇。 盲人通過(guò)聽(tīng)覺(jué)或觸覺(jué)等感官功能而不是視覺(jué)來(lái)識(shí)別圖像，而力嗅覺(jué)是視覺(jué)感知替代的最重要形式。
前人對(duì)剛性紋理圖像的感知做了大量研究。 提出了4種根據(jù)像素點(diǎn)色溫求解像素點(diǎn)高度值的方法，通過(guò)虎克定律估算像素點(diǎn)的排斥力，反饋給用戶。 Wu通過(guò)高斯混合提取紋理圖像的高頻部分作為紋理圖像的紋理細(xì)節(jié)，將高頻部分的幅值作為像素高度值計(jì)算方向力和摩擦力生成紋理強(qiáng)制觸摸。 Adi利用小波變換提取圖像中的紋理細(xì)節(jié)信息，將紋理像素的灰度值映射到像素的空間深度，進(jìn)行力-嗅覺(jué)渲染。 李嘉璐利用SFS技術(shù)，根據(jù)紋理圖像中的表示信息獲取紋理圖像的像素高度，并以此像素高度作為基于圖像平面的穿刺深度進(jìn)行力渲染。 田磊通過(guò)PDE方法對(duì)圖像紋理進(jìn)行分解，分別得到圖像的主要輪廓和細(xì)節(jié)紋理。 對(duì)于主輪廓中的像素點(diǎn)，采用SFS方法計(jì)算像素點(diǎn)的高度，在三維空間構(gòu)建主輪廓，上帝法，渲染力感，但對(duì)于像素點(diǎn)細(xì)節(jié)紋理部分，沒(méi)有三維構(gòu)造，通過(guò)應(yīng)用胡克定律，利用像素的灰度值計(jì)算方向力，通過(guò)摩擦公式得到切向力，生成紋理力味。
雖然該方法可以用于剛體紋理圖像的力聲渲染，但該方法感知的是紋理細(xì)節(jié)像素點(diǎn)以晃動(dòng)或振動(dòng)的形式，無(wú)法感知紋理細(xì)節(jié)像素之間的力聲。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于五元的剛性紋理圖像力聲生成方法，用于感知?jiǎng)傂约y理圖像。 對(duì)紋理圖像進(jìn)行區(qū)域分組和像素高度值獲取，將其轉(zhuǎn)化為三維紋理圖像后，將不同的化學(xué)性質(zhì)賦予不同的區(qū)域組，基于五個(gè)要素解決剛性紋理圖像的力和氣味，從而產(chǎn)生逼真的聽(tīng)覺(jué)力。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：
1) 對(duì)剛性紋理圖像進(jìn)行區(qū)域分組和像素高度值獲取，構(gòu)建并轉(zhuǎn)換為三維紋理圖像；
2) 賦予不同區(qū)域組化學(xué)性質(zhì)，操作人機(jī)交互的力-氣味交互設(shè)備，基于五要素求解剛性紋理圖像的力-氣味，生成逼真的剛性圖像力-氣味。
步驟2)的五個(gè)要素包括刺傷深度、表面法向量、表面剛度系數(shù)、表面滑動(dòng)摩擦系數(shù)和表面振動(dòng)阻尼系數(shù)。
在步驟2)中，將不同的化學(xué)性質(zhì)分配給不同的區(qū)域組，化學(xué)性質(zhì)包括撓度、粗糙度和粘度。
所述步驟2)剛性紋理圖像的力感由法向力摩擦力和阻尼力組成：
其中，法向力k為剛性紋理像面的剛度系數(shù)，即切削深度； 摩擦力μ為剛性紋理像面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)； 阻尼力c是剛性紋理圖像表面的振動(dòng)阻尼系數(shù)，它是力-嗅覺(jué)反饋裝置在剛性紋理圖像表面上的交互點(diǎn)產(chǎn)生的代理點(diǎn)的通信速率。
力的方向感是法向力方向、摩擦力方向和阻尼力方向的矢量和。
法向力方向與剛性紋理圖像的表面法向量相同。
阻尼力和摩擦力的方向相同，與剛性紋理圖像表面力-嗅覺(jué)反饋裝置交互點(diǎn)產(chǎn)生的代理點(diǎn)的通信速度方向相反。
法向力包括五元中的穿透深度、表面法向量和表面剛度系數(shù)，摩擦力包括五元中的表面滑動(dòng)摩擦系數(shù)，減振力包括五元中的表面摩擦系數(shù). 阻尼因子。
本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)和顯著療效與以往方法相比具有以下特點(diǎn)：
1、本發(fā)明的方法綜合了刺入深度、表面法向量、表面剛度系數(shù)、表面滑動(dòng)摩擦系數(shù)和表面振動(dòng)阻尼系數(shù)五個(gè)要素來(lái)估計(jì)紋理圖像中不同物體的受力和氣味。
2、本發(fā)明方法的五個(gè)要素包括人機(jī)交互特征、紋理圖像中物體的表面幾何特征和紋理圖像中物體的熱學(xué)特性，與真實(shí)相符。由人力和氣味感知的質(zhì)地。
3、本發(fā)明的方法不是通過(guò)像素點(diǎn)之間的跳躍，以抖動(dòng)或振動(dòng)的形式感知像素點(diǎn)，而是建立具有紋理細(xì)節(jié)的三角面條，可以感知紋理細(xì)節(jié)像素點(diǎn)之間微妙的力感，輸出穩(wěn)定連續(xù)的力味，提高了力味的真實(shí)性。
圖紙說(shuō)明
圖1是本發(fā)明方法的步驟流程圖。
圖2為本實(shí)施例圖庫(kù)中的D26山墻圖像。
圖3是實(shí)施例D26的山墻圖像的區(qū)域組。
圖4為實(shí)施例D26中山墻圖像的高度值信息。
圖5是實(shí)施例D26的山墻圖像的三維圖。
圖6是實(shí)施例D26的山墻圖像的視覺(jué)模型。
圖7是實(shí)施例D26的山墻圖像的嗅覺(jué)模型。
圖8是單個(gè)三角面條的力-嗅覺(jué)估計(jì)示意圖。
圖9為根據(jù)本實(shí)施例的墓碑剛性紋理圖像的力-嗅覺(jué)生成。
具體實(shí)現(xiàn)方法
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
如圖1所示，本發(fā)明首先讀取剛性紋理圖像，對(duì)紋理圖像進(jìn)行區(qū)域分組和像素點(diǎn)高度值獲取，將其轉(zhuǎn)換為三維紋理圖像后，求解出每個(gè)網(wǎng)格的表面法向量對(duì)紋理圖像，將不同的化學(xué)性質(zhì)（表面剛度系數(shù)、表面滑動(dòng)摩擦系數(shù)和表面振動(dòng)阻尼系數(shù)）分配給不同的區(qū)域組。 在紋理圖像中輸出不同物體的穩(wěn)定和連續(xù)的力氣味。
如圖1所示，本發(fā)明方法具體包括：
1) 對(duì)剛性紋理圖像進(jìn)行區(qū)域分組和像素高度值獲取，構(gòu)建并轉(zhuǎn)換為三維紋理圖像。 具體地摩擦力三要素特點(diǎn)，對(duì)基于區(qū)域的定義紋理圖像的三維構(gòu)造方法進(jìn)行處理；
2) 賦予不同區(qū)域組化學(xué)性質(zhì)，操作人機(jī)交互的力-氣味交互設(shè)備，基于五要素求解剛性紋理圖像的力-氣味，生成逼真的剛性圖像力-氣味。
Step 2) 剛性紋理圖像的力感由法向力摩擦力和阻尼力組成：
其中，法向力k為剛性紋理像面的剛度系數(shù)，即切削深度； 摩擦力μ為剛性紋理像面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)； 阻尼力c為剛性紋理圖像表面的振動(dòng)阻尼系數(shù)，其為力-嗅覺(jué)反饋裝置在剛性紋理圖像表面上的交互點(diǎn)產(chǎn)生的代理點(diǎn)與代理點(diǎn)的通信速率是交互點(diǎn)到剛性紋理圖像表面的腳。
上述的力方向感是法向力方向、摩擦力方向和阻尼力方向的矢量和。 法向力方向與剛性紋理圖像的表面法向量相同。 阻尼力和摩擦力的方向相同，與剛性紋理圖像表面力-嗅覺(jué)反饋裝置交互點(diǎn)產(chǎn)生的代理點(diǎn)的通信速度方向相反。
法向力包括五要素中的穿透深度、表面法向量和表面剛度系數(shù)，摩擦力包括五要素中的表面滑動(dòng)摩擦系數(shù)，減振力包括五要素中的表面減振系數(shù)元素。
以上五個(gè)要素包括刺入深度、表面法向量、表面剛度系數(shù)、表面滑動(dòng)摩擦系數(shù)和表面振動(dòng)阻尼系數(shù)。 刺入深度是指在人機(jī)交互過(guò)程中，力-嗅覺(jué)反饋裝置的交互點(diǎn)穿透圖像面后到圖像面的垂直距離； 表面法向量是指力-嗅覺(jué)反饋裝置的交互點(diǎn)與圖像的碰撞。表面剛度系數(shù)是指圖像表面的偏轉(zhuǎn)屬性； 表面滑動(dòng)摩擦系數(shù)是指圖像表面的粗糙度屬性； 表面阻尼系數(shù)是指圖像表面的粘性屬性。
不同的化學(xué)性質(zhì)被分配給不同的域組，包括撓度、粗糙度和粘度。 區(qū)域分組是對(duì)圖像中的紋理進(jìn)行分類(lèi)，在保證紋理力和氣味真實(shí)性的前提下減少估計(jì)量。
下面結(jié)合實(shí)施例，分步驟具體說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式：
1、讀取剛性紋理圖像，根據(jù)申請(qǐng)?zhí)枮?.1、申請(qǐng)日為2015年3月27日的專(zhuān)利申請(qǐng)中提出的基于區(qū)域定義的紋理圖像三維構(gòu)造方法，將紋理圖像分組為 和 獲取點(diǎn)的高度值。 例如，讀取圖像庫(kù)中的D26山墻圖像（圖2），得到兩個(gè)區(qū)域組，磚縫區(qū)域和磚塊區(qū)域（圖3），得到D26山墻的高度值信息（圖4）圖像;
2、根據(jù)像素點(diǎn)的高度值和區(qū)域組，生成剛性紋理三維圖形，不同的區(qū)域組分配不同的化學(xué)性質(zhì)。 磚塊區(qū)域組是D26山墻圖像的紋理細(xì)節(jié)，用小三角網(wǎng)格繪制，磚縫區(qū)域是D26山墻圖像的大紋理，用大三角網(wǎng)格繪制，如圖圖5，5.1代表D26山墻圖像 圖像的整體紋理三維圖，5.2代表D26山墻紋理的三維圖局部放大圖； 對(duì)磚區(qū)表面和磚縫區(qū)賦予不同的剛度系數(shù)、表面滑動(dòng)摩擦系數(shù)和表面阻尼系數(shù)。 圖6是D26山墻圖像的視覺(jué)模型，圖7是D26山墻圖像的嗅覺(jué)模型。
3、在人機(jī)交互過(guò)程中，獲取交互點(diǎn)的刺入深度和代理點(diǎn)的連接速度，求解并輸出紋理圖像中不同物體的穩(wěn)定連續(xù)的力感。 如圖8所示，q1為前一時(shí)刻交互點(diǎn)的空間位置摩擦力三要素特點(diǎn)，q2為下一時(shí)刻交互點(diǎn)的空間位置。 在交互點(diǎn)從q1移動(dòng)到q2的過(guò)程中，三維紋理圖形的ABC三角網(wǎng)面發(fā)生碰撞時(shí)，X為碰撞點(diǎn)的位置。 根據(jù)God-model可以得到下一時(shí)刻交互點(diǎn)的agent點(diǎn)位置Q，記錄agent點(diǎn)Q的連接率，計(jì)算q2到Q點(diǎn)的距離，即穿刺深度作用點(diǎn)ABC三角面的方向與ABC三角面的法向量一致，根據(jù)ABC三角面所屬的區(qū)域組為表面剛度系數(shù)k，表面摩擦系數(shù)u，以及表面粘性系數(shù)c，得到ABC三角面條對(duì)相互作用點(diǎn)的法向力摩擦力和阻尼力，得到總反饋力輸出穩(wěn)定連續(xù)的力味。
同樣，圖 9 顯示了墓碑剛性紋理圖像的力嗅覺(jué)生成。
1). 讀取墓碑圖像（圖 9（a）），得到兩個(gè)區(qū)域組，背景區(qū)域組和文本區(qū)域組（圖 9（b）），得到墓碑圖像的高度值信息（圖 9（ C） ））;
2). 根據(jù)像素的高度值和區(qū)域組，生成墓碑圖像的剛性紋理三維圖形，并為不同的區(qū)域組分配不同的化學(xué)性質(zhì)。 文本區(qū)域組是墓碑圖像的紋理細(xì)節(jié)，用小三角形網(wǎng)格繪制，背景區(qū)域組是墓碑圖像的大紋理，用大三角形網(wǎng)格繪制。 圖9(d)為墓碑圖像的整體紋理三維圖，圖9(e)為墓碑圖像的紋理三維圖局部放大圖； 滑動(dòng)摩擦系數(shù)和表面阻尼系數(shù)。 圖9(e)是墓碑圖像的嗅覺(jué)模型，圖9(f)是D26墓碑圖像的視覺(jué)模型。
3). 在人機(jī)交互過(guò)程中，獲取交互點(diǎn)的刺入深度和代理點(diǎn)的連接率，解決并輸出墓碑圖像中不同區(qū)域組的穩(wěn)定、連續(xù)的力味，從而得到結(jié)果顯示在圖 9(c) 的逼真剛性紋理圖像的力-嗅覺(jué)生成中。
由此，本發(fā)明的方法綜合了五個(gè)要素，實(shí)現(xiàn)了剛性紋理圖像中不同物體的力感； 并能感知紋理細(xì)節(jié)像素點(diǎn)之間微妙的力感，輸出穩(wěn)定持續(xù)的力感，提升力感。 嗅覺(jué)的真實(shí)性具有突出、明顯的技術(shù)效果。