论文题目: 图像特征提取、匹配和新视点图像生成技术研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 机械设计及理论
作者: 胡志萍
导师: 欧宗瑛
关键词: 基于图像的绘制,虚拟现实,新视点图像生成,宽基线图像匹配,仿射不变量,直线段匹配,立体视觉
文献来源: 大连理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 基于图像的绘制技术是近几年兴起的一种新的虚拟场景绘制策略,它已成为当前计算机图形学界的一个研究热点。基于图像的绘制技术结合了计算机图形学、计算机视觉、图像处理、摄影测量学等许多学科的理论和成果,用真实的图像来代替传统的几何建模,使绘制的图像真实自然、绘制的速度不依赖于场景的复杂度。本文对该领域中新视点图像生成和其相关技术进行了研究,主要包括特征的检测和提取、基于点特征和线特征的宽基线(wide baseline)图像匹配、基于轮廓对应的任意新视点图像生成等。 特征检测是图像处理中的一项基本技术。根据匹配和新视点图像生成的需求,特征检测方法需要特征定位的精度较高,能同时检测出角点、边缘等不同特征等。本文研究了基于相位一致的特征检测技术,从频域分析图像灰度的突变位置。讨论了不同方向的多尺度下相位一致值计算,并研究了一种用矩理论对各方向相位一致数据进行综合的方法,可有效的区分和提取边缘和角点特征。 现有虚拟视点图像生成中初始匹配点的选取,通常是直接在图像上由用户交互方式进行或由摄像机标定得到。交互方式容易受人为主观操作因素和图像分辨率的影响,使对应匹配点的选取产生误差,并且使视图生成过程需人工干预,不能实现完全的自动化,给实用化带来很大的困难;摄像机的标定需要采集图像摄像机的一些先验知识,限制了虚拟视点图像生成方法的适用范围。本文提出宽基线图像匹配方法,分别是基于点特征的匹配和基于线特征的匹配,将其应用到视图生成中,从而实现了虚拟视点图像的自动生成。根据欲匹配源图像间几何变形的不同,提出了两种点特征邻域的选取和匹配原理方法。当图像之间的尺度差异较小时,例如,在虚拟漫游中摄像机环绕景物运动时采集的序列图像,提出一种基于仿射不变量的点特征区域提取和匹配方法,能适应大的视点变化和光照条件的变迁。该方法以图像中颜色的局部极值点为种子点,过种子点作射线,将沿各射线上颜色变化为最大的点连线围成区域,取该区域的椭圆拟合作为特征区域,该特征区域具有仿射不变性。当图像之间尺度相差较悬殊时,可通过多尺度分析,在三维尺度空间选取颜色值为不连续突变的角点作种子点,特征区域是以种子点为圆心的邻域。对已选出的局域特征区域,逐步消除几何变换和光照变换对图像区域的影响,构造特征向量来表征该区域内颜色分布,通过特征向量的比较来确定特征区域的匹配。实验表明基于上述点特征区域的匹配方法具有较强的鲁棒性,可应用于宽基线图像的匹配。 基于点特征的匹配适用于纹理信息较丰富的图像,对于纹理信息较少的图像,为获得足够多的匹配点,还需要基于线特征的匹配。相对于基于点特征的宽基线图像匹配,线特征在宽基线图像的匹配应用中研究较少,线的匹配提供的图像间信息较少,但我们可以通过匹配直线的端点、交点,由匹配的直线段得到匹配的点。本文提出的线特征匹配方法通过基于相位一致的边缘检测技术,检测出图像边缘,提取组成边缘直线段链,由三条相邻直线段构成待匹配基元。检测组成基元的直线段间相对位置关系和相互连接方式,得到基元的不变量描述,以此作为匹配准则确定基元匹配,各基元的匹配关系构成图像间直线段的相似矩阵,通过相似矩阵的值确定全图像中直线段间的潜在匹配。并根据所有潜在匹配中直线段间的相对位置关系,提出了一种直线段匹配的全局几何约束,剔除错误匹配,得到了较好的直线段匹配效果。该算法可应用于宽基线图像的匹配。大连理工大学博士学位论文 由已知图像合成新视点的图像是基于图像的绘制中的一项基本技术,它用具有高度真实感的图像来表示虚拟场景。视图合成工作是在两幅同一目标景物,不同视点的图像之间合成一系列连续的期间过渡图像,其中要求合成视图应该具有三维真实感,如同虚拟摄像机所采集的图像。本文提出一种基于摄像机横向和纵向移动采集的图像合成新视点图像的方法,该方法在合成图像中优先保证轮廓对应准确,从而使合成图像轮廓清晰。对通过摄像机分别作横向和纵向运动采集的四幅图像,本文提出的新视点图像生成方法,可以实现在上述四幅图像视点围成的四边形中任意新视点图像。对于一幅图像来说,图像中形体轮廓线和区域分界线具有特殊的意义。一方面,轮廓边界是重要的视觉感知线索。图像中像素颜色值的变化,在一个区域内往往保持比较稳定的模式,在边界处则会发生急剧的突变。人类视觉的特点则是对颜色和亮度的变化最为敏感。在图像处理中,轮廓相对于其它图像信息也易于识别和提取。另一方面人类正是主要通过物体的轮廓来区别和认识物体的,如果生成图像的轮廓质量高,则生成的图像整体质量必定也高。实际上,质量不高的图像其最明显的外在特征就是边缘轮廓线模糊不清。因此,本文提出一种改进的基于轮廓对应的视图合成方法,首先以组成轮廓的直线段间相对位置和方向得到直线段间的正确对应,再由匹配的直线段和极线几何约束得到匹配的轮廓点,保证了轮廓对应的准确性,使合成图像轮廓清晰。再以轮廓为界限制其它像素的对应,减少错误匹配的几率,从而使生成图像出现“灰影”的概率减少,图像质量较好。对于摄像机纵向运动采集的图像,提出了一种确定远视?
论文目录:
第一章 绪论
1．1 研究背景及意义
1．1．1 计算机图形学
1．1．2 数字图像处理和计算机视觉
1．2 基于图像的绘制技术
1．2．1 基于图像的生成绘制技术的发展历史
1．2．2 基于图像的生成绘制技术的分类
1．2．3 几种基于图像的生成绘制技术的比较
1．3 多视图几何的基本理论
1．3．1 摄像机模型
1．3．2 图像之间的几何变换和极线几何约束
1．3．3 光照变化对成像的影响
1．4 基于图像对应的视图合成技术回顾
1．4．1 像素投影转移
1．4．1．1 基于投影不变量的视图合成方法
1．4．1．2 基于三线张量的视图合成方法
1．4．2 视图插值
1．5 图像特征匹配综述
1．5．1 图像间基于点特征的匹配
1．5．2 图像间基于线特征的匹配
1．6 论文的主要工作及其组织
第二章 图像边缘和角点特征检测
2．1 引言
2．1．1 边缘检测
2．1．2 角点检测
2．2 利用相位信息进行特征检测
2．2．1 相位一致性(PC：Phase Congruency)
2．2．2 局部能量(Local Energy)与相位一致
2．2．3 基于小波的相位一致性计算
2．2．4 噪音
2．3 特征检测
2．3．1 二维滤波器的设计
2．3．2 滤波器的方向
2．3．3 二维中的噪声补偿
2．3．4 基于各方向相位数据矩计算的特征检测
2．4 小结
第三章 基于点特征的宽基线图像匹配
3．1 引言
3．2 基于仿射不变量的特征区域提取
3．2．1 特征区域的提取
3．2．2 特征区域的正则化
3．3 Gaussian尺度空间原理及性质
3．3．1 尺度空间定义
3．3．2 尺度空间的基本定理
3．3．3 尺度空间与其它图像多分辨率表示的区别
3．4 基于尺度空间的特征区域提取
3．4．1 特征点的特征尺度
3．4．2 特征区域的提取
3．5 特征区域的匹配
3．5．1 标准化亮度变化
3．5．2 特征区域的描述
3．5．3 利用视点一致性约束剔除错误匹配
3．5．4 基本矩阵计算
3．5．4．1 八点算法和对级距离
3．5．4．2 改进RANSAC算法
3．6 实验结果及分析
3．7 本章小结
第四章 基于边缘直线特征的宽基线图像匹配
4．1 引言
4．2 基于直线段的特征匹配
4．2．1 直线的提取
4．2．2 直线段间的几何结构关系
4．2．3 匹配的基元
4．2．4 基元的匹配
4．2．5 全局几何校核
4．3 实验结果及分析
4．4 本章小结
第五章 基于轮廓对应的虚拟视点图像生成
5．1 引言
5．2 轮廓对应
5．2．1 直线对的匹配
5．2．2 直线段的匹配
5．3 任意虚拟视点图像的生成
5．3．1 预变换
5．3．2 平行变换插值
5．3．2．1 对应极线的段内间点的匹配
5．3．2．2 动态规划匹配的原理
5．3．2．3 动态规划匹配的具体实现
5．3．3 后置变换
5．3．4 摄像机纵向运动时远视点无对应区域的处理
5．3．5 算法描述
5．4 虚拟视点视图生成实例和实时漫游
5．5 本章小结
第六章 基于立体序列图像的导管架下水运动参数测量
6．1 引言
6．2 立体视觉测量
6．2．1 立体视觉原理
6．2．2 摄像机标定
6．2．2．1 摄像机参数解析解的获得
6．2．2．2 极大似然估计
6．2．3 测量特征点的设置与跟踪
6．3 实验结果及分析
6．4 本章小结
第七章 总结与展望
7．1 全文工作总结
7．2 展望
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文
论文创新点摘要
致谢
发布时间: 2005-07-04
参考文献
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