力反馈虚拟现实tp

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、 贴图渲染， 并用力反馈交互设备在重构的三维
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检材模型上触摸 （碰撞检测） ， 将碰撞检测的触摸力输出 到力反馈设备 ， 再现文检图像的触摸特征。实验表明， 虚拟三维重构技术将文检等物证图像由二维扩展到三维 比对分析鉴别， 并且采用的力反馈交互设备触摸比对可 以给鉴定人员直观的触摸感受， 使文检鉴别由单纯的视 觉变为视觉、 触觉一体的鉴别， 提高了鉴别的可靠性。
0 = f ( Z ( x y)) » f ( Z ( x y)) + ( Z ( x y) - Z n - 1( x y))
(n - 1) d f (Z ( x y)) （5） d Z ( x y)
Z ( x y) = Z n ( x y) 第 n 次 迭 代 的 高 度 可 以 用 式 （6）
0 = f ( I ( x, y), Z ( x, y), Z ( x - 1, y), Z ( x, y - 1)) = I ( x, y) - R( Z ( x, y), Z ( x - 1, y), Z ( x, y), Z ( x, y - 1)) （4）
与图像的二维坐标构成三维数据， 在虚拟现实场景中三 y ) = Z n - 1( x y ) + - f ( Z n - 1( x y)) (n - 1) d f (Z ( x y)) d Z ( x y)
（6）
根据 Lambertian 表面的特性和反射方程， 可得： 1 + pp s + qq s I ( x y) = R( p q) = = 2 1 + p2 + q2 1 + p 2 s + qs
p = ¶z/¶x ，q = ¶z/¶y ， 光 源 方 向 为 S = ( p s q s - 1) ， 其中 p s = cos τ sin σ ， q s = sin τ sin σ ， σ 是光源的倾角， τ 是光 cos σ cos σ 源的仰角。
给 定 图 像 灰 度 I 和 对 应 点 ( x y) ， 将方程 （4） 进行 Taylor 展开， 可得：
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Computer Engineering and Applications 计算机工程与应用
基于力反馈设备的文检虚拟触摸鉴定方法
汪 军， 周鸣争， 强 俊
WANG Jun, ZHOU Mingzheng, QIANG Jun
安徽工程大学 计算机与信息学院， 安徽 芜湖 241000 School of Computer & Information Science, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui 241000, China WANG Jun, ZHOU Mingzheng, QIANG Jun. Virtual haptic identification method of document examination based on force feedback device. Computer Engineering and Applications, 2014, 50 （9） ： 130-134. Abstract： The traditional document examination is to observe document samples and identify the authenticity of documents with the help of the microscope, which does not consider the height information of the document and can not reflect fully the characteristics of material evidence. This paper proposes an identification method of virtual touch for document examination based on force feedback device. The proposed method gets relative height of the document image to construct 3D model and renders texture in a virtual reality system through shape from shading, and then uses force feedback device to achieve touch identification. Simulation results show that the proposed virtual reconstruction technique can extend identification method from two-dimension to three-dimension, and can give the identification of personnel an intuitive tactile sensation by use of force feedback device. It can be concluded that the proposed method can improve the reliability of the identification through combining the visual identification and touch identification for document examination. Key words： document examination image; shape from shading; 3D reconstruction; force feedback; haptic 摘 要： 传统的文件检验鉴定是在显微镜中观察文件检材并鉴定文件真伪， 针对这种文检方法缺少高度信息且不能
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（2） （3）
得一个近似的非线性反射图方程， 从而建立一个物体表 面方向和图像亮度之间的函数关系， 再通过各种数值方 法求解该方程， 最后得到方程的解， 求出表面各点的对 应的高度值。 设二维灰度图像的灰度矩阵为 I ( x, y)， 文检物证图像 表面方程为 Z = z( x, y)， 点 ( x, y, z) 处的法向量为 ( p, q, - 1)，
2 虚拟重建三维文检图像 2.1 简化 SFS 条件获取文检物证图像相对高度 信息
由单幅图像灰度明暗变化恢复三维形状 （ShapeFrom-Shading， SFS） 是计算机视觉中物体表面形状三维 测量、 重构的关键技术之一。 SFS 是在一定的约束条件 下从平滑变化的灰度图像恢复出表面各点的相对高度 信息或法向信息， 即根据物体表面反射模型建立物体表 面三维形状与采集的图像灰度之间关系的反射图方程， 并根据某先验知识建立对物体表面形状参数的约束条 件， 对这些关系的求解可得到物体表面三维形状。从图 像成像过程可知， 空间物体表面法向量的变化引起图像 灰度变化， SFS 可以看作图像成像过程的逆过程。 SFS 求解方法一般是假设光源为无限远处的点光源， 物体的 表面反射为 Lambertian 表面反射， 并基于正交投影求
基金项目： 安徽省自然科学基金 （No.1308085MF88） 。
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作者简介： 汪军 （1975 —） ， 男， 副教授， 研究领域为人机交互与虚拟现实， 图像处理与模式识别； 周鸣争 （1958 —） ， 男， 教授， 研究 领域为图像处理与模式识别， 计算机网络； 强俊 （1980—） ， 女， 讲师， 研究领域为虚拟现实， 图像处理与模式识别。 E-mail： wangjun@ 收稿日期： 2013-08-05 修回日期： 2013-10-11 文章编号： 1002-8331 （2014） 09-0130-05
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引言
在司法鉴定领域， 文件检验 （简称文检） 鉴定包括笔
在计算机中采用数字图像处理技术对采集的物证文检 图像进行软件的对接、 重影、 测量比对鉴别， 找出检材的 细节区别进行鉴定。这种鉴定方式虽然通过不同波段 的光源实现了对物证细节的观察， 但本质上仍然是在一 个二维图像上完成， 而没有考虑检材的高度信息。这种 忽略检材高度信息特征的鉴别对某些文件检验如着墨 时序、 凹版印刷票据等的真伪检验很难完成 [2]。 随着三维虚拟现实技术的发展， 认为如果能够获取 检材的高度信息， 则可将其在三维虚拟现实场景中再现， 通过力反馈触摸交互设备进行三维触摸鉴定。这种触摸
迹、 印章、 着墨时序、 后期涂改、 伪造票据、 证件等文件检 材的鉴定。传统的方法是通过放大镜、 显微镜在多波段 光源的照射下直接对检材进行并列、 拼接、 重叠、 测量比 对 。目前比较先进的仪器是专用的文检仪， 将检材置 入多波段光源的照射下， 并配合多波段光源用相同波段 波长的截止滤光片滤除干扰光， 使摄像机接收比较单一 波长的检材图像。摄像机的视频信号经过视频采集卡 采集到计算机中形成不同波长照射的物证文检图像。
汪
军， 周鸣争， 强
俊： 基于力反馈设备的文检虚拟触摸鉴定方法
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鉴定不仅能够从视觉上， 而且可以从触觉上多方位比对 文检物证特征， 提高文检的可靠性。本文采用阴影恢复
[3-4] 形状法 （SFS） 获取检材图像每个像素的相对高度信息，
值问题或最优化控制问题， 最后求出 SFS 问题的解。演 化和偏微分方程方法本质是从图像中一组已经确定高 度的点开始， 以此为参照高度， 逐步递推演化求出整个 表面的解。局部方法则是基于对曲面形状的局部假设， 进而推出曲面形状信息， 是将反射模型与假设的物体表 面局部形状相结合来构成关于物体局部形状参数的线 性偏微方程组， 再利用已知边界条件来求得该方程组的 唯一解， 从而确定物体的局部三维表面形状， 该方法只 能恢复曲面的方向信息， 而无法得到曲面的高度值。线 性化方法认为在反射函数中， 低阶项占主要部分， 将反 射函数进行 Taylor 展开后， 舍去非线性项的结果仍与原 反射函数非常接近， 从而将原 SFS 非线性问题转化为一 个线性问题并进行求解。这种线性化方法虽然没有明 确提出一种表面模型， 但 线 性 化 反 射 函 数 Taylor 展 开 时， 对变量高阶项的舍弃已暗示了物体表面形状是缓慢 变化模型。从算法的实现难易程度和处理速度方面考 虑， 线性化方法中 Tsai-Shah[10] 算法具有容易实现， 能快 速收敛等特点， 适合应用于三维虚拟现实， 下面详细说 明 Tsai-Shah 的原理。 Tsai 和 Shah 用有限差分 （finite different） 方法离散 逼 近 p 和 q， 之 后 用 Z ( x y) 线 性 化 反 射 图 。 用 式 （2） 、 式 （3） 逼近 p， q。 p = ¶ Z = Z ( x y) - Z ( x - 1 y) ¶x ¶ q = Z = Z ( x y) - Z ( x y - 1) ¶y 则式 （1） 反射方程可表示为：