面向视频感知的静电力触觉渲染方法

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1、面向视频感知的静电力触觉渲染方法　　中图分类号：TP391.9文献标志码：A　　0引言　　视觉障碍的人由于丧失了视觉，获取信息主要依靠触觉和听觉，触觉是人体除视觉和听觉之外最重要的感觉通道，是人类认识外界环境并与环境进行交互的重要手段[1]。对于盲人等视觉障碍的人，触觉再现技术可帮助其利用触觉感知方式实现读书、看报、上网、导航[2-3]，但对于图像、视频等数字媒体类信息，目前很难有效感知。如何让视觉障碍的人获得一定程度的数字媒体类信息，是当前研究者们广泛关注的问题[4]。　　图像、视频等数字媒体类信息

2、为视觉信息，要将视觉信息转化为触觉信息呈现，需要建立定量的转换模型[5]。针对静态图像触觉渲染方法的研究，李佳璐等[6]用颜色变化表征纹理，提出彩色图像纹理力触觉渲染方法，能够有效地对彩色图像纹理进行力触觉渲染；Vasudevan等[7]提出了一种基于图像处理的纹理力触觉再现模型，该模型提出力渲染掩模的概念，通过子图像与力渲染掩模相乘，有效地对图像的边缘和纹理进行力触觉建模与再现；Adi等[8]提出了基于小波变换的方法提取图像中的纹理信息，把图像灰度映射为纹理表面的空间深度信息，建立三维纹理表面模型，

3、完成纹理的力触觉表达。近年来，面向动态视频的触觉渲染方法的研究也逐渐兴起，Cha等[9]提出了一种3D视频的触觉感知系统，将触觉信息通过编码方法融入到深度图像中，实现对3D视频的触觉感知；Israr等[10]设计了一种针对盲人的视觉触觉便携辅助设备，通过颜色特征识别环境中的目标物体。上述针对视频的触觉渲染方法，主要集中于编码算法和实践应用方面，而如何提取视频中的触觉特征信息，如何满足视频触觉渲染的实时性，是视频触觉渲染中面临的主要问题。　　静电力触觉再现技术利用静电吸引力原理[11-12]，通过调节手

4、指和触摸屏之间的摩擦力来模拟丰富的触觉感受，可在移动终端上为图像、视频等媒体提供触觉感知接口[13]。为进一步提高针对视频的触觉感知效果，研究面向视频感知的静电力触觉渲染方法，提出基于像素点的视频帧处理算法，根据手指触摸位置获取当前视频帧的目标像素点，将目标像素点的彩色信息从红、绿、蓝（RedGreenBlue，RGB）颜色模型转换为色调、饱和度、强度（HueSaturationIntensity，HSI）颜色模型，利用像素点色调分量来映射静电力激励信号频率参量，结合像素点亮度和饱和度分量来映射静电力

5、激励信号幅度参量，合成静电力触觉激励信号，实现对实时视频的触觉渲染和感知。　　3实验分析　　为验证本文算法的有效性，邀请10名受试者（6男4女）参与实验，平均年龄24岁（最大26岁，最小22岁）。室内温度保持在23℃～28℃，湿度保持在35%～55%。实验系统所用的静电力触觉再现装置如图7所示，采用罗技C930摄像头实时采集视频信息，分辨率为640×480，帧率为30f/s。触觉交互部分包括三层结构，上层的光学传感器用于获取手指触摸位置信息；中间的触觉再现面板结构类似于电容触摸屏，用于产生静电力触觉刺

6、激；下层的LCD屏幕，用于显示摄像头采集的视频信息。触觉激励信号生成器为程控高压信号生成器，可以产生信号幅度范围为1～400Vpp，频率范围1～2000Hz的正弦波信号。受试者通过导电手环与触觉激励信号生成器共地。　　首先，设计动态色彩感知实验，对所提触觉渲染方法的实时性和色彩辨识度进行评测；然后，设计亮度辨识感知实验，对所提触觉渲染方法的鲜亮度辨识性能进行评测。　　3.1动态色彩感知实验　　实验步骤：选取红、黄、绿、青、蓝和深红6种标准颜色的长方形卡片，每种卡片3张，将这18张颜色卡片按随机次序排列

7、，实验人员依次抽取其中一张颜色卡片放置在摄像头视频采集区域，每隔5～10s更换一次颜色卡片，更换操作时间为2～3s，用眼罩遮挡受试者眼睛，受试者用手指触摸探测视频感知区域，根据触觉感受的有无判断卡片是否更换，并根据触觉感受的差别判断前后两张卡片的颜色是否相同，统计受试者感知到的卡片动态更换和颜色辨别的正确率。　　实验结果如表1所示，受试者对卡片的动态切换识别平　　均正确率为90.6%，标准差为8.3%；对卡片色彩辨别的平均　　正确率为69.4%，标准差为9.7%。可看出，大多数受试者可以通过触觉感知识

8、别现实物体的动态变化，且可以辨识不同的颜色，表明本文所提渲染方法实时性强，且颜色辨识度良好。但由于个体差异，受试者对激励信号频率感知差别阈值不同，导致其对相近的颜色分辨不准确；同时，受试者的触觉记忆能力对实验效果产生一定影响。　　3.2亮度辨识感知实验　　实验步骤：选取3组长方形颜色卡片，每组包括两个卡片，分别是深红色和粉红色、黄色和米黄色、青色和淡青色，已知深红色、黄色和青色的鲜亮度较大。将一组内的两张卡片同时放置在摄像头视频采集区域的左右两边，位置随