[发明专利]基于线性素描图像的力渲染方法

摘要

本发明公开了基于线性素描图像的力渲染方法，主要技术方案是先将彩色图像转换成线性素描图像，再对线性素描图像进行力渲染。生成线性素描图像的过程是先将彩色图像转换成灰度图像，对灰度图像进行反转得到相应的负像，再进行高斯模糊处理以及颜色减淡混合处理，最终得到线性素描图像。生成的线性素描图像包括物体的轮廓特征部分以及表面细节特征部分，对这两部分采用不同方式进行力渲染。轮廓特征部分采用god‑object算法计算轮廓力、表面细节特征部分直接利用灰度值计算表面纹理力。

主权项

基于线性素描图像的力渲染方法，其特征在于先将彩色图像转换成线性素描图像，再对线性素描图像进行力渲染，具体如下：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‑Y1A‑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：amx+bmy+cmz＝dm，其中，(x,y,z)分别为点god‑object位置坐标，(xt,yt,zt)为HIP位置坐标，am,bm,cm,dm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am，b1,b2,b3属于bm，c1,c2,c3属于cm，d1,d2,d3属于dm；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Fn为：Fn＝k×value其中，k为经验系数，value为线性素描图像像素点的灰度值；平行表面的摩擦力Ff为：Ff＝μ×Fn×sign(v)其中，μ为摩擦系数，v为虚拟接触点的速度，sign(v)为标准的符号函数，即最终的合力为表面纹理力：F＝Fn+Ff。