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基于斑点特征的虚实配准技术研究

作　者: 胡佳
导　师: 汤光明
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 军事装备学
关键词: 增强现实虚实配准特征提取摄像机标定摄像机跟踪
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

增强现实是近年来虚拟现实技术研究的一个热点，在军事领域具有广泛的应用前景。虚实配准技术是任何实用的增强现实系统需要解决的关键问题，是国内外研究的热点。基于无标识的虚实配准技术以其成本低廉、使用方便等特点引起了起来越多研究者们的关注。本文围绕基于无标识的虚实配准技术展开研究，提出了基于斑点特征的虚实配准方法，主要完成了以下几个方面的工作：(1)设计了基于斑点特征的无标识虚实配准框架。框架包含了初始化和在线跟踪两个部分。初始化阶段主要是利用特征提取和摄像机标定技术求解摄像机的内部参数；在线跟踪阶段主要是利用帧图像中的特征对摄像机位姿进行跟踪实时获取摄像机的外部参数，继而根据摄像机内外参数实时地进行虚实叠加。(2)针对虚实配准中特征提取问题，提出了一种高效的斑点特征提取方法。首先利用三层滤波函数，将特征检测转化成积分图像的加减运算，降低了特征检测的复杂度；然后结合基于积分和基于量化的梯度运算的优点，设计了基于积分-量化的梯度运算，并应用于特征描述中，降低了特征描述的复杂度。实验表明该方法的综合性能高于同类方法。(3)针对虚实配准中摄像机标定问题，提出了一种基于分层重建的摄像机自标定方法。首先建立了摄像机线性成像模型，利用最大距离和采样及误差加权对RANSAC矩阵估计算法进行了改进；然后通过分层重建将摄像机标定问题转化为优化问题；最后利用基于人工鱼群优化算法求解摄像机参数。实验表明该方法的精确性和鲁棒性均优于同类方法。(4)针对虚实配准中摄像机位姿跟踪问题，提出了一种基于SLAM的摄像机位姿跟踪方法。将摄像机位姿跟踪分为地图构建和跟踪定位两个过程。在地图构建方面，利用特征点集和关键帧集构建环境地图，并用L-M算法对地图数据进行优化；在跟踪定位方面，建立了摄像机运动模型，通过位姿预测和重投影实现了摄像机的自适应跟踪。实验表明该方法具有较好的跟踪效果。(5)在上述研究的基础上设计并实现了基于斑点特征的虚实配准原型系统，主要对系统的组成结构、流程和各个核心模块进行了设计和实现。最后，总结本文的主要工作，对虚实配准的发展前景和研究方向进行了展望。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第一章绪论  10-17
  1.1 研究背景及意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-15
  1.3 本文组织结构  15-17
第二章虚实配准技术及框架  17-23
  2.1 虚实配准的基本原理  17-19
  2.2 虚实配准的特性  19
  2.3 基于斑点特征的无标识虚实配准框架  19-22
    2.3.1 基本思想  20
    2.3.2 斑点特征提取  20-21
    2.3.3 斑点特征匹配  21
    2.3.4 摄像机自标定  21-22
    2.3.5 基于SLAM摄像机位姿跟踪  22
    2.3.6 合成投影矩阵  22
  2.4 本章小结  22-23
第三章高效斑点特征提取技术研究  23-41
  3.1 特征检测  23-30
    3.1.1 斑点信号检测算法的复杂度分析  23-25
    3.1.2 卷积函数分析与改进  25-28
    3.1.3 基于三层滤波的斑点检测  28-30
  3.2 特征描述  30-33
    3.2.1 基于梯度的特征描述复杂度分析  30-31
    3.2.2 基于梯度的快速特征描述算法鲁棒性分析  31-32
    3.2.3 基于积分-量化的梯度运算及其鲁棒性分析  32
    3.2.4 基于积分-量化的特征描述  32-33
  3.3 高效斑点特征提取算法描述  33-34
  3.4 实验结果及分析  34-39
    3.4.1 精确性测试  34-36
    3.4.2 鲁棒性测试  36-39
    3.4.3 实时性测试  39
  3.5 本章小结  39-41
第四章基于分层重建的摄像机自标定技术研究  41-59
  4.1 摄像机自标定的精确性和鲁棒性影响因素  41-42
  4.2 摄像机成像模型  42-43
  4.3 基于改进RANSAC的基本矩阵估计  43-47
    4.3.1 对极几何与基本矩阵  43-44
    4.3.2 RANSAC的局限性分析  44-45
    4.3.3 RANSAC的改进  45-46
    4.3.4 算法描述  46-47
  4.4 分层重建  47-50
    4.4.1 射影重建  47-48
    4.4.2 仿射重建  48-49
    4.4.3 基于绝对曲面的欧氏重建  49-50
  4.5 基于人工鱼群的摄像机内部参数求解  50-52
    4.5.1 目标函数定义及参数设置  50
    4.5.2 状态转换  50-52
    4.5.3 算法描述  52
  4.6 基于分层重建的摄像机自标定算法描述  52-53
  4.7 实验结果与分析  53-57
    4.7.1 仿真实验  53-56
    4.7.2 真实图像实验  56-57
  4.8 本章小结  57-59
第五章基于SLAM的摄像机位姿跟踪技术研究  59-70
  5.1 地图构建  59-63
    5.1.1 地图的定义  59-60
    5.1.2 地图初始化与更新  60-61
    5.1.3 基于L-M算法的地图优化  61-63
  5.2 跟踪定位  63-66
    5.2.1 摄像机运动模型  63-64
    5.2.2 基于位姿预测和重投影的自适应特征匹配  64-66
    5.2.3 摄像机的位姿更新  66
  5.3 基于SLAM的摄像机位姿跟踪算法描述  66-67
  5.4 实验结果与分析  67-69
  5.5 本章小结  69-70
第六章虚实配准原型系统设计与实现  70-76
  6.1 系统总体设计  70-73
    6.1.1 系统主要功能  70
    6.1.2 系统组成结构  70-71
    6.1.3 系统流程  71-73
  6.2 系统模块设计与实现  73-75
    6.2.1 控制程序及界面  73-74
    6.2.2 特征提取模块  74
    6.2.3 特征匹配模块  74
    6.2.4 摄像机标定模块  74
    6.2.5 摄像机位姿跟踪模块  74
    6.2.6 地图库及其构建模块  74-75
    6.2.7 图像处理模块  75
    6.2.8 输入/输出模块  75
  6.3 本章小结  75-76
第七章总结与展望  76-78
  7.1 总结  76
  7.2 展望  76-78
致谢  78-79
参考文献  79-83
作者简历  83

基于斑点特征的虚实配准技术研究

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