虚拟现实中若干图像关键技术研究

论文摘要

飞行模拟器是航空工业的必要装备,是飞行员训练、考核的基本地面训练设备。与传统模拟机相比,基于虚拟现实的轻型飞行模拟器体积小巧,价格低廉,具有巨大的应用潜力。本文围绕“轻型飞行模拟器原型系统”课题,为进一步完善轻型飞行模拟器系统以满足高端需要,对虚拟现实中,特别是虚拟视景构建和虚拟环境交互操作中的图像关键技术进行了研究。论文的主要研究内容包括:(1)不同于传统模拟机,轻型飞行模拟器采用头盔式视景显示设备,舱内视景也需要由计算机生成,同时戴上头盔后飞行员无法看到舱内实景,造成交互操作困难。根据飞行模拟器视景特点和交互要求,设计了轻型飞行模拟器虚拟现实环境系统的体系结构。其中,采用传统几何建模方法生成舱内视景,便于实现交互;利用基于图像绘制技术构建舱外视景,提高真实感。并提出半虚拟现实座舱方案进一步完善虚拟现实系统手部人机交互性能。(2)图像特征信息提取是虚拟现实环境构建过程中涉及的基本和重要的图像处理技术。通过对图像边缘特性的分析,本文选择边缘信息进行特征提取,以减少冗余,提高图像处理技术的实时性和鲁棒性。传统微分算法对噪声敏感,对此提出一种基于方向信息抗干扰性边缘检测算法,并通过实验证明该算法在定位精度和抗噪性方面优于传统方法。同时对边缘中常用的直线特征,针对Hough变换只能精确到像素级的不足,提出一种基于Hough变换直线检测改进算法,在保持较高抗噪性的同时,提高检测精度,为后续得到更加准确和鲁棒的图像处理结果提供基础。(3)摄像机标定结果对舱外视景构建和手部交互定位都有指导意义。本文通过对现有摄像机标定技术进行归纳总结,在传统标定方法基础上提出了两种摄像机标定新方法。其中,基于消隐点的摄像机标定改进方法只利用2个方向消隐点确定摄像机内参数和方位,提高了利用消隐点进行标定的实用性;基于矩形的标定方法由矩形的四个顶点的像构造无穷远平面上绝对二次曲线的像ω的约束方程标定摄像机内参数。两种标定方法完全摆脱了三维空间点与二维图像点的匹配,简化了标定过程,同时无需进行特征匹配计算图像和空间平面间的单应矩阵,直接利用消隐点和矩形顶点就可确切的求出旋转矩阵和平移量,不会丢失摄像机外参数,可以准确定位摄像机,对手指定位具有重要意义。模拟和真实图像实验结果证明了两种标定方法的正确性和可行性。(4)舱外全景图构建过程中,图像拼接是关键技术之一。图像拼接的主要问题是确定相邻图像间的对应关系,即图像匹配。考虑Hausdorff距离易于计算,容错率高,采用修正后的Hausdorff距离构造相似性测度,提出了一种基于方向信息的鲁棒型Hausdorff距离的匹配方法。实验表明,该方法加快了匹配过程,提高了抗噪性能,并能够准确匹配含有遮挡和伪边缘点的图像,从而解决了基于传统Hausdorff距离匹配方法因噪声点、伪边缘点和出格点而造成的误匹配问题。(5)现有虚拟现实交互设备价格昂贵,而且无法提供逼真的触觉等丰富感知。为实现自然的人机交互方式,提出半虚拟现实座舱方案,设计了基于摄像机标定原理的戒指式视频测量手指定位技术和基于计算机视觉的虚拟现实手指定位技术两种技术方案。手部跟踪定位的首要任务是从摄像机拍摄的视频序列中进行运动目标(手部)检测,为此提出一种基于梯度方向信息的运动目标检测算法。实验结果表明,该算法克服了传统帧差算法不能准确定位目标的缺点,在室内外背景下均能准确的提取完整的运动目标轮廓。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 虚拟现实技术
• 1.2 课题研究背景和意义
• 1.3 国内外研究现状与分析
• 1.3.1 虚拟视景构建技术
• 1.3.2 虚拟现实手部人机交互技术
• 1.4 课题来源
• 1.5 论文主要研究内容
• 第二章 轻型飞行模拟器虚拟现实环境系统
• 2.1 轻型飞行模拟器虚拟现实环境系统总体设计
• 2.1.1 轻型飞行模拟器虚拟现实环境特点分析
• 2.1.2 轻型飞行模拟器虚拟现实环境系统体系结构
• 2.2 基于图像绘制的轻型飞行模拟器舱外视景构建
• 2.2.1 基于图像的绘制技术
• 2.2.2 轻型飞行模拟器舱外视景实现框架
• 2.3 基于视觉的虚拟现实手部人机交互技术
• 2.4 本章小节
• 第三章 图像特征信息提取
• 3.1 图像边缘与边缘检测算子
• 3.2 现有边缘检测算法存在的问题
• 3.3 基于方向信息的抗干扰性边缘检测算法
• 3.3.1 DED 边缘检测算法原理
• 3.3.2 实验结果与分析
• 3.4 直线检测
• 3.4.1 Hough 变换
• 3.4.2 基于Hough 变换的直线检测改进算法
• 3.4.3 实验结果与分析
• 3.5 本章小节
• 第四章 摄像机标定技术
• 4.1 摄像机标定
• 4.2 成像变换与摄像机模型
• 4.3 基于消隐点的摄像机标定改进方法
• 4.3.1 消隐点概念
• 4.3.2 ICVP 标定原理
• 4.3.3 实验结果与分析
• 4.4 基于矩形的摄像机标定方法
• 4.4.1 相关研究中存在的问题
• 4.4.2 基于矩形的摄像机标定的原理
• 4.4.3 实验结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于鲁棒型 Hausdorff 距离匹配的图像整合技术
• 5.1 全景图模型
• 5.2 柱面正投影算法
• 5.3 鲁棒型 Hausdorff 距离图像匹配方法
• 5.3.1 图像匹配技术概述
• 5.3.2 传统Hausdorff 距离及其改进形式
• 5.3.3 鲁棒型Hausdorff 距离的提出
• 5.3.4 实验结果与分析
• 5.4 本章小节
• 第六章 基于视觉的虚拟现实手指定位技术
• 6.1 视觉跟踪技术介绍
• 6.2 半虚拟现实座舱
• 6.3 戒指式视频测量手指定位技术
• 6.4 基于计算机视觉的虚拟现实手指定位技术
• 6.5 基于梯度方向信息的运动目标检测算法
• 6.5.1 运动目标检测算法分析
• 6.5.2 实验结果与分析
• 6.6 本章小节
• 第七章 结论
• 7.1 本文的主要工作和成果
• 7.2 本文的不足和未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参加科研项目和获奖情况