[发明专利]应用于融合静电力和空气压膜触觉再现装置的图像渲染方法

说明书

本发明涉及一种应用于融合静电力和空气压膜触觉再现装置的图像渲染方法，属于虚拟现实与人机交互领域。从图像的轮廓和纹理角度出发：首先建立切向触觉反馈力与静电力和空气压膜幅度之间的映射模型以及静电力的频率与感知粗糙度之间的感知模型，然后根据轮廓的梯度信息表示变化的快慢，呈现凹凸性，可表征图像的大体走势，建立切向触觉反馈力与图像轮廓的梯度信息之间的渲染模型；纹理的高度信息表征纹理表面的粗糙度，建立粗糙度感知强度与图像纹理的高度信息之间的模型，从而实现了图像轮廓和纹理的触觉再现，有效的提高了视觉对象触觉再现的真实感，更加的符合人类主观心理感受，使触觉再现效果更好。

技术领域

本发明属于虚拟现实与人机交互领域，尤其涉及一种应用于融合静电力和空气压膜触觉再现装置的图像渲染方法。

背景技术

触觉再现功能的多媒体终端是近年来国际上的研究热点，在电子商务、教育娱乐、视障人群等领域具有重要的应用前景。多媒体触觉再现终端可以让用户通过触摸来感知被显示物体的形状、纹理以及柔软性，将人类与虚拟世界的交流推向听觉、视觉与触觉相融合的崭新阶段，将产生巨大的经济效益。

目前应用到移动终端的触觉再现技术主要有：(1)基于静电力触觉再现技术主要是根据库伦定律，利用静电力吸引原理，通过调节手指与触觉再现面板间的摩擦力提供触觉体验。当手指触摸再现面板时，手指因电荷感应而周期性携带正负电荷，电荷间库仑力相互作用，使手指感知触觉力作用。可以通过对激励信号的参量控制，改变指尖所受摩擦力，进而产生不同的触觉体验。(2)基于空气压膜式触觉再现技术，通过给粘在屏上的压电陶瓷施加高频信号，让其产生高频振动，从而3M屏与手指之间形成空气薄膜，以此减小触摸屏表面的摩擦。(3)基于机械振动触觉再现技术，通过通过驱动振动器带动整个装置振动来刺激触摸者手指，从而感受到不同的触感。

目前，已经有一些实现触觉再现的方法与装置。

2012年中国专利CN102331838A中公开了一种基于深度等高线的图像的振动触觉表达方法，它首先对图像进行灰度处理，然后提取深度信息，将深度信息转化为振动触觉刺激，此方式只利用幅度参量实现触觉反馈，触觉再现效果较差。2014年中国专利CN104199554A中公开了一种应用于静电力触觉再现装置的凸起几何模型算法和凹陷几何模型算法，采用正弦高度模型分别对凸起和凹陷的几何形状建模，建立静电力驱动信号与凸起和凹陷形状的映射关系，可以产生明显的凸起和凹陷的触觉感。这种触觉再现算法，有效实现了对凸起几何图形的触觉再现，但是不能应用于图案复杂的视觉对象的触觉再现。2017年中国专利CN107122056A公开了一种基于挤压气膜效应的触觉再现装置与方法，此方式在显示设备上施加高频振动产生空气薄膜,通过调节振动的强度调节摩擦系数,进而改变手指的受力,使操作者感知触觉纹理，但此方式改变触觉反馈力的范围较小，因此不能呈现精细的纹理，触觉再现效果较差。2018年中国专利CN109101111A公开了一种融合静电力、空气压膜和机械振动的触觉再现方法与装置，通过建立图像梯度、曲率和高度特征与触觉驱动信号幅度和频率参数之间的映射模型实现视觉对象轮廓、纹理和粗糙度的同时触觉再现，但此渲染方法没有考虑到不同波形对触觉再现效果的影响。

论文“融合两种触觉刺激原理：电振动和空气压膜效应”证明了静电力和空气压膜这两种刺激相互独立，互相补充，两者结合能增大切向触觉反馈范围；论文“使用振动触觉和静电摩擦刺激的纹理显示比基于任何其中一种刺激的纹理显示好”中提出了一种融合静电力与振动的触觉再现装置与方法，通过使用指垫实现了针对于黑白条纹的触觉再现。融合静电力和空气压膜以及融合静电力和机械振动的触觉再现渲染方法大多针对黑白条纹、凸起、正弦等图形实现触觉再现，而对图像的触觉再现方法的研究甚少。

通过上述分析，现有触觉再现的算法研究不足，单一触觉再现技术大多是利用驱动信号的幅度和频率实现触觉再现，没有考虑到驱动信号波形对触觉再现效果的影响；融合触觉再现技术大多针对黑白条纹、凸起、正弦等图形实现触觉再现，对图像的研究甚少。

发明内容