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基于空间聚合加权卷积神经网络的力触觉足迹识别

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东南大学学报（自然科学版） 2020年第5期50卷 959-964页

作者：鲍文霞瞿金杰王年唐俊鲁玺龙安徽大学电子信息工程学院合肥230601 公安部物证鉴定中心北京100038

为了提高力触觉足迹识别的准确率,提出一种基于空间聚合加权注意力机制的足迹识别算法.首先,采用压力足迹采集器采集并构建一个包含100人2000幅力触觉足迹图像的数据集;然后,采用VGG19卷积神经网络预训练模型提取特征,为获取特征图中足... 详细信息

为了提高力触觉足迹识别的准确率,提出一种基于空间聚合加权注意力机制的足迹识别算法.首先,采用压力足迹采集器采集并构建一个包含100人2000幅力触觉足迹图像的数据集;然后,采用VGG19卷积神经网络预训练模型提取特征,为获取特征图中足迹压力分布感兴趣区域,设计一种空间聚合加权模块(SAWM),该模块专注高响应区域从而提取足迹中显著区域局部特征,并与输入特征图加权融合,保留显著性特征,抑制不重要特征;最后输出的特征经过平均池化在全连接层实现力触觉足迹的识别.试验结果表明,所提算法准确率达到了91.20%,优于其他注意力机制算法以及传统的足迹识别算法.采用空间聚合加权注意力机制网络模型能够有效进行足迹识别,为身份识别提供技术支撑.

关键词：力触觉足迹识别空间聚合加权 VGG19卷积神经网络

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基于PDE方法的图像力触觉再现方法研究

仪器仪表学报 2013年第10期34卷 2316-2321页

作者：田磊宋爱国王蔚东南大学仪器科学与工程学院远程测控技术江苏省重点实验室南京210096

针对基于图像的力触觉再现技术中目标的轮廓形状与细节纹理容易混淆从而影响判断的问题,提出了利用偏微分方程将图像的轮廓形状信息与细节纹理信息分离,然后针对各自特点分别采用不同方法进行力触觉渲染。其中轮廓形状信息采用SFS技术... 详细信息

针对基于图像的力触觉再现技术中目标的轮廓形状与细节纹理容易混淆从而影响判断的问题,提出了利用偏微分方程将图像的轮廓形状信息与细节纹理信息分离,然后针对各自特点分别采用不同方法进行力触觉渲染。其中轮廓形状信息采用SFS技术从二维图像中恢复出三维表面模型,并用God-object算法进行力触觉渲染;细节纹理信息则直接用图像灰度值计算法向力和切向力来进行力触觉渲染。实验结果表明,该方法可行,能够有效地减少基于图像的力触觉再现中的误判现象,提高操作者对虚拟环境的力触觉感知和识别能力。

关键词：力触觉虚拟现实图像处理偏微分方程力触觉渲染

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基于离线强化学习的力触觉引导土壤采样控制

测控技术 2023年第4期42卷 35-41页

作者：严一冰宋爱国朱利丰闫禹霏东南大学仪器科学与工程学院江苏南京210096

由于颗粒状介质的复杂性,机器人操控颗粒介质的交互控制存在不少难点。近年来,强化学习在机器人技术等领域取得了显著的成就。针对土壤这类颗粒物质不容易进行运动学建模的问题,提出一种基于离线强化学习的土壤采样控制器,引入采样过程... 详细信息

由于颗粒状介质的复杂性,机器人操控颗粒介质的交互控制存在不少难点。近年来,强化学习在机器人技术等领域取得了显著的成就。针对土壤这类颗粒物质不容易进行运动学建模的问题,提出一种基于离线强化学习的土壤采样控制器,引入采样过程中力触觉信息指导取样的运动控制。基于旋转式取样头,使用高精度Chrono仿真器对土壤环境进行颗粒模拟,以获得土壤采样任务的数据。从采样量、功率、用时这3个角度考虑,共同衡量采样任务的表现。使用保守Q-Learning算法进行离线训练,解决强化学习中样本利用率低且在颗粒仿真环境下实现实时交互困难的问题,并输出智能体控制取样器下降速度和旋转取样角速度的策略。实验表明,该控制器可以较好地应用于土壤采样任务,并可根据所测的力来动态调整控制策略。该控制器可显著提升采样效果,无须明确了解颗粒参数,仅通过数据即可学习优化策略。

关键词：智能采样颗粒土壤离线强化学习力触觉数据驱动

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多模态力触觉交互技术及应用

中国科学：信息科学 2017年第9期47卷 1183-1197页

作者：宋爱国田磊倪得晶秦欢欢东南大学仪器科学与工程学院南京210096

力触觉人机交互技术是虚拟现实中人机交互的重要组成部分,它通过模拟人类对真实物体的力触觉感知过程,将虚拟环境的力触觉信息真实地反馈给人,极大地提高了虚拟环境的交互性和临场感程度.本文从虚拟对象和力触觉表达方式的差异出发,综... 详细信息

力触觉人机交互技术是虚拟现实中人机交互的重要组成部分,它通过模拟人类对真实物体的力触觉感知过程,将虚拟环境的力触觉信息真实地反馈给人,极大地提高了虚拟环境的交互性和临场感程度.本文从虚拟对象和力触觉表达方式的差异出发,综述了力触觉建模技术和力触觉再现设备的研究现状,并分析了各种模态的力触觉交互技术的特性,提出了基于云端的力触觉人机交互信息感知系统框架、研究进展及应用,最后对多模态力触觉交互技术的发展趋势进行了展望.

关键词：力触觉人机交互虚拟现实多模态

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悬浮真三维显示的力触觉交互

悬浮真三维显示的力触觉交互

作者：李炜浙江大学

学位级别：硕士

三维显示以其自然直观的方式受到广泛关注。人机视觉交互正朝着更加自然和直观的方向发展,触觉交互作为带有反馈的新型双向交互方式,能够将传统的人机交互系统转变成闭环系统,从而大大提高交互过程的准确性和真实感。将三维显示和触觉... 详细信息

三维显示以其自然直观的方式受到广泛关注。人机视觉交互正朝着更加自然和直观的方向发展,触觉交互作为带有反馈的新型双向交互方式,能够将传统的人机交互系统转变成闭环系统,从而大大提高交互过程的准确性和真实感。将三维显示和触觉反馈相结合,可以与在3D空间中投影图像进行直接交互,从而使交互更轻松,更有趣。本文提出了一种针对悬浮真三维显示系统的指套式力触觉交互方法。通过Leap Motion提取指尖坐标,借用双目相机辅助光场显示区域和交互区域的坐标转换;判断手与显示区域位置关系,传递信号使指套震动,完成力触觉交互。实验表明,我们提出的方法可以完成光场显示区域和交互区域的坐标转换,转换精度在5mm以内。在此基础上,针对Leap Motion识别范围较窄的问题提出使用双目相机提取指尖坐标的解决办法,可以在全模型范围内进行交互。对于手势识别交互提出用手套硬件辅助判断的方法,为之后更精细的手势设计奠下基础。力触觉和手势的交互可以在光场三维显示的基础上给使用者更加真实的感官体验,当用户与三维显示模型交互时,有效和实时的力触觉交互可以有助于增强感和沉浸感。

关键词：三维交互指套式力触觉实时交互双目相机

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基于SFS技术的纹理力触觉再现方法研究

仪器仪表学报 2010年第4期31卷 812-817页

作者：李佳璐宋爱国吴涓张小瑞东南大学仪器科学与工程学院远程测控技术江苏省重点实验室南京210096 南京信息工程大学信息与控制学院南京210044

虚拟现实技术中,纹理的力触觉表达通常需要提取纹理表面的高度轮廓特征,从而再现纹理的凹凸感,而图像纹理则反映的是纹理表面的二维灰度特征。提出了一种根据图像灰度信息恢复表面三维轮廓(shape from shading,SFS),并用于纹理的力触觉... 详细信息

虚拟现实技术中,纹理的力触觉表达通常需要提取纹理表面的高度轮廓特征,从而再现纹理的凹凸感,而图像纹理则反映的是纹理表面的二维灰度特征。提出了一种根据图像灰度信息恢复表面三维轮廓(shape from shading,SFS),并用于纹理的力触觉表达的方法。采用Tsai&Shah算法从二维纹理图像中恢复出表面三维微观形状,并用力触觉模型渲染。该方法无需专门仪器测量物体表面的微观轮廓,无需设计专用的纹理力触觉表达装置。实验表明该方法是可行的,并通过对实验结果的分析给出了改进方向。

关键词：纹理再现力触觉虚拟现实图像处理由图像灰度恢复三维形状

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一种基于实际测量的纹理力触觉表达方法

系统仿真学报 2013年第11期25卷 2630-2637页

作者：吴涓严菊李莅圆宋爱国东南大学仪器科学与工程学院南京210096

纹理是物体表面微观结构分布特征的体现。当人手与纹理表面接触时,会感觉到凹凸不平的触感及纹理触觉。纹理触觉的显示是增强虚拟环境真实感,提高对环境的感知和控制能力不可缺少的要素。提出了一种基于实际压力测量值的纹理力计算模型... 详细信息

纹理是物体表面微观结构分布特征的体现。当人手与纹理表面接触时,会感觉到凹凸不平的触感及纹理触觉。纹理触觉的显示是增强虚拟环境真实感,提高对环境的感知和控制能力不可缺少的要素。提出了一种基于实际压力测量值的纹理力计算模型,并利用力反馈装置实现纹理力触觉表达的方法。它首先利用带有力传感器的机械臂在纹理表面扫描,然后对所测量的法向纹理力信号进行数据处理,并建立法向束缚力和切向摩擦力的计算模型。虚拟纹理触觉再现时,接触力通过3自由度PHANTOM Omni手控器实时作用于操作者。由于纹理力特征来源于实际测量同时又考虑到心理学研究所发现的人的探索速度对纹理感知的影响,使得所再现的纹理力具有较高的真实感。进行了实验并证明了方法的有效性。

关键词：纹理再现力触觉虚拟现实信号处理

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纹理力触觉信息采集及感知特性实验研究

纹理力触觉信息采集及感知特性实验研究

作者：曹志勇东南大学

学位级别：硕士

纹理触觉是人与物体接触时,对纹理表面凹凸不平的属性的触觉感受。纹理触觉作为人对客观力触觉刺激的感受,对其感知特性和规律的研究,对于实现具有真实感的力触觉再现和精准遥操作具有重要指导意义。以往的纹理触觉感知特性的研究多是... 详细信息

纹理触觉是人与物体接触时,对纹理表面凹凸不平的属性的触觉感受。纹理触觉作为人对客观力触觉刺激的感受,对其感知特性和规律的研究,对于实现具有真实感的力触觉再现和精准遥操作具有重要指导意义。以往的纹理触觉感知特性的研究多是选取纹理样本进行主观感知实验,测量在某种纹理物理特征及不同水平下(如纹理高度、空间周期、颗粒度等变化),人主观纹理粗糙感强度的变化规律。而纹理触觉感知是客观刺激与主观感知多输入/多输出的复杂系统。真实纹理物理属性具有多样性,且不同物理属性、实验条件均会对纹理触觉产生影响。因此,有必要对纹理触觉刺激特征参数以及纹理触觉感受进行定量分析,并建立二者之间的关系模型。本文研究纹理触觉刺激与主观感知的规律,并试图建立描述客观触觉刺激与主观感知之间的量化关系模型。首先搭建了纹理触觉感知实验平台,能实时测量与纹理表面接触时的接触力/加速度/位移等触觉交互信息,并进行了与纹理表面交互时的客观力触觉刺激测量。然后基于非度量多维尺度分析的方法,研究了纹理主观感知空间的维度与度量,确定纹理感知空间可以由两个维度特征参数来描述;并结合前人的研究,初步探讨了主观感知空间特征参数的物理意义。接下来,通过相关分析和回归分析,从纹理力触觉交互信息中确定了振动能量、振动频率、等效刚度系数、力的变化率对纹理感知差异具有显著影响,并以此4个客观刺激特征参数作为纹理感知模型的输入参数。最后采用径向基神经网络模型建立了纹理客观刺激特征参数与主观纹理感知空间度量的关系模型。最终,通过将感知模型用于预测真实纹理样本的粗糙差异度,并与前人的主观感知实验结果比较,发现定量关系模型具有较好的预测精度,且多输入多输出的关系模型能全面反映纹理触觉刺激对主观感受的影响。

关键词：纹理力触觉感知特性

基于DELTA手控器的纹理的力触觉表达方法

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仪器仪表学报 2008年第11期29卷 2310-2314页

作者：邹垂国宋爱国吴涓东南大学仪器科学与工程学院南京210096

纹理的力触觉表达不仅能增强虚拟环境的真实感,还能用于盲人对环境的感知和信息获取。本文提出了一种新颖的算法。它是基于图像处理的方法提取纹理表面的几何轮廓,根据物体表面粗糙特性,分别建立法向和切向的接触力模型,通过6自由度DELT... 详细信息

纹理的力触觉表达不仅能增强虚拟环境的真实感,还能用于盲人对环境的感知和信息获取。本文提出了一种新颖的算法。它是基于图像处理的方法提取纹理表面的几何轮廓,根据物体表面粗糙特性,分别建立法向和切向的接触力模型,通过6自由度DELTA手控器实时作用于操作者,让操作者感受到触摸虚拟物体表面的作用力,从而实现纹理的力触觉表达。最后通过与传统的几种图像纹理的力触觉建模和表达方法比较实验证明了此种方法的有效性。

关键词：纹理再现力触觉虚拟现实图像处理