[发明专利]基于力/触觉交互设备的图像纹理的力触觉再现系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种增强力触觉模型，尤其涉及一种用于虚拟现实人机交互的基于力/触觉交互设备的图像纹理的力触觉再现系统。

背景技术

触觉交互是人机交互领域的最新技术，纹理触觉作为触觉交互的一个重要部分，得到越来越多研究人员的关注与重视。在虚拟现实系统中，纹理触觉不仅可以增强触觉交互的真实感，还有助于远程操控或者在虚拟空间中进行机械设计，盲人获取图像信息等。

目前纹理触觉再现的建模方法主要有3种：①基于真实纹理实现触觉纹理再现。通过构建一个真实的纹理表面来模拟虚拟物体的纹理空间信息，从而获得触觉纹理的再现，典型的装置如Minsky等人发明的砂纸系统。然而真实的纹理种类毕竟有限，不可能模拟所有的虚拟纹理空间信息。②基于震动原理设计纹理触觉再现装置以达到纹理触觉再现。这种方法主要通过设置特殊的阵列装置，静态地或者动态地在皮肤表面产生压力，从而产生纹理感觉。典型的如日本Yasushi Ikei等人研制的针型接触式阵列，采用压电激励方式驱动针跳动，控制针震动的位置和幅值从而模拟表面纹理信息。该方法便于控制，但再现的纹理特性与针的直径和分布密度有关，所能模拟的纹理的凹凸范围有限。日本东京农业科技大学的Naoya Asamura等人研制的气体压力触觉再现装置是靠气体压力刺激皮肤感受器，这种再现方式便于实现，但控制不准确，只能模拟柔软和坚硬两种状态，达不到凹凸纹理的模拟效果。③基于现有的力觉再现装置产生力反馈实现纹理触觉再现。这种方法主要根据纹理图像的空间信息，在接触点产生相应的纹理的接触力并结合运动力学，实时地将纹理接触力通过力反馈装置反馈给人手，从而达到重构物体表面的三维纹理信息。Choi等人将纹理接触合力建模成随物体表面纹理的粗糙度变化而变化的周期正弦信号，物体表面越粗糙，周期性信号的幅值就越大，纹理越细密，则周期信号的频率越高。该方法在一定程度上能较好地反映出纹理的特性，但确定性模型能够表达的纹理种类有限，仅能使力感觉有明显的区分度，但缺乏真实感，不能模拟真实的纹理接触感。

从以上分析可知，在保证能快速、实时地实现纹理力触觉再现同时，优化算法，合理对纹理接触力进行建模，提高纹理触觉再现的真实感是当前虚拟图像纹理触觉再现系统亟待解决的首要问题。

发明内容

本发明提出一种基于力/触觉交互设备的图像纹理的力触觉再现系统，并将其用于虚拟现实人机交互的二维纹理图片的感知。该方法无需专门的图像纹理触觉表达装置，无需专门仪器测量物体表面的微观轮廓，能准确的获取虚拟物体纹理的三维空间分布信息，并建立接触力模型，通过力/触觉交互设备反馈接触点的纹理接触力，从而再现真实环境下物体的纹理特性，提高触觉交互的真实感和稳定性。

本发明采用如下技术方案：

一种基于力/触觉交互设备的图像纹理的力触觉再现系统，其特征在于该方法的主要步骤如下：

步骤1对外部导入的虚拟物体的纹理图片经行保存；

步骤2系统对调用的虚拟物体的纹理图片进行图像处理，从二维纹理图片中获取虚拟物体纹理表面的三维微观几何数据。由于纹理图片中，亮度的空间分布与纹理微观位移的空间分布具有相关性，因此，对纹理图片进行分析和处理，就能获得虚拟物体表面纹理的三维空间分布信息。对图片进行频谱分析可获得各像素顶点所对应的物体纹理的表面高度。具体算法如下：

(1)根据导入的物体表面二维纹理图片，假设该二维纹理图片大小为m×n个像素，即横向有m个像素和纵向有n个像素，利用下面的公式得到每个像素点的亮度值：

li,j=R+G+B3,---(1)]]>

其中i∈{0，1，...m-1}，j∈{0，1，...，n-1}为纹理图片中对应的像素点的坐标值，R、G和B分别为该像素点的红、绿、蓝三个颜色分量，得到的亮度图像L_m×n，