[发明专利]基于线性素描图像的力渲染方法

说明书

技术领域

本发明属于虚拟现实技术中的力渲染技术领域，具体涉及基于线性素描图像的力渲染方法。

背景技术

在现实生活中，素描图像随处可见。素描图像通过简单的线条就可以把物体的轮廓和细节特征表达出来。甚至在艺术领域有着“触觉素描”这一说法，指在观察素描图像的时候就感觉在触摸图像中的物体一样真实，说明素描对物体特征细节的表达足够精细、完整。简单、明了的素描图像包含着物体的更多细节，所以研究素描图像也有着其存在的优势。

在虚拟现实中，力渲染技术是关键技术之一。通过对图像处理的方法进行力渲染技术具有快速、成本低的特点。

发明内容

本发明采用合理的算法对图像进行处理，建立力渲染模型。旨在图像的基础上进行力触觉再现，并通过力触觉再现装置反馈给操作者，达到让操作者感知图像中物体的轮廓特征和表面细节特征，拥有沉浸式的体验。

A、彩色图像转换成线性素描图像分为以下四个步骤：

A-1)将彩色图像通过以下公式转换成灰度图像：

Y₁＝a×R+b×G+c×B

其中，Y₁是灰度图像各像素点的像素值；a,b,c分别表示红，绿，蓝分量的权重值；R,G,B 分别表示彩色空间中红，绿，蓝分量；

A-2)将转换后的灰度图像用下面的公式进行反转处理得到相应的负像，负像中每个像素点的像素值用Y₂表示：

Y₂＝255-Y₁

A-3)将负像进行高斯模糊处理：采用3×3的高斯核对图像进行模糊处理，权重函数 T(i,j)采用二维高斯函数：

其中σ为正态分布的标准偏差；e是自然常数；(i,j)表示权重矩阵中元素坐标；模糊半径假定模糊半径r＝1，则权重前的矩阵为：

A-4)对模糊处理后的图像进行颜色减淡混合处理，最终得到线性素描图像；

B、生成的线性素描图像包括物体的轮廓特征部分和表面细节特征部分，对这两部分采用不同的方式进行力渲染；

B-1)轮廓特征部分采用god-object算法：其中虚拟接触点(HIP，Haptic Interaction Point) 在表面轮廓线内侧，god-object点在表面轮廓线上且距离HIP最近，在god-object算法中，

虚拟弹簧中的单位刚度能量方程Q为：

坐标(x,y,z)满足的约束条件为：a_mx+b_my+c_mz＝d_m，

其中，(x,y,z)分别为点god-object位置坐标，(x_t,y_t,z_t)为HIP位置坐标，a_m,b_m,c_m,d_m为常数，则轮廓力方程L为：

L＝Q+l₁(a₁x+b₁y+c₁z-d₁)+l₂(a₂x+b₂y+c₂z-d₂)+l₃(a₃x+b₃y+c₃z-d₃)

其中，l₁,l₂,l₃表示各约束条件的权重值，a₁,a₂,a₃属于a_m，b₁,b₂,b₃属于b_m，c₁,c₂,c₃属于c_m，d₁,d₂,d₃属于d_m；

B-2)利用拉格朗日乘子法得到新的god-object点的位置并再次计算轮廓力；

B-3)表面细节特征部分直接利用灰度值计算表面纹理力：

垂直表面的法向力F_n为：F_n＝k×value