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基于并联机器人的主动视觉手部跟踪技术研究

作　者: 刘玉月
导　师: 吴东苏
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 载运工具运用工程
关键词: 手部跟踪主动视觉 Stewart并联机器人视觉伺服图像反馈
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 55次
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内容摘要

飞行模拟器在民航领域有着举足轻重的作用，然而价格与维护成本十分昂贵。基于虚拟现实的轻量级模拟器是一种有效的低成本方案，在民航领域的人机交互过程中，手部动作在虚拟视景中的重构效果至关重要，计算机视觉跟踪方案能够自然且没有接触地获取手部特征，但同时存在着制约性的问题——手部的自遮挡问题，会影响手部重构的效果，本文在此背景下提出了利用主动视觉技术解决手部跟踪运动过程中的自遮挡问题。本文列举了国内外使用主动视觉技术来解决这一关键问题的例子，并指出各种解决办法的不足之处。针对前者的不足之处，本文根据Stewart机器人的固有特点，利用Stewart机器人来作为主动视觉的承载机构，提出了一种新型的主动视觉手部跟踪技术。本文设计了视觉伺服系统的实际平台，包括机械，机电控制和视频采集等模块，并且实现了主动视觉系统的基本软件部分，包括数据采集，通信，人机交互等模块，为整个主动视觉系统提供了一个可实际运行和调试的平台。根据视觉伺服系统的综述，原理以及分类，本文对各种视觉伺服系统进行了仿真实验和分析，最终确定以基于图像的视觉伺服技术来实现本文中的机器人控制算法。在手部特征提取的环节中，本文使用Mean-Shift方法来进行目标跟踪，并分别使用裸手和基于颜色标记的方法来作为跟踪的特征。最终本文分别设计了视觉伺服系统的一般视觉控制器和考虑了机器人动态特性的视觉控制系统，并利用李雅普诺夫函数对考虑机器人动态特性后的整个视觉系统进行了稳定性分析。在此基础上分别做了详细的目标跟踪实验，并对结果进行了分析，最终实际效果和实验数据都说明了基于并联机器人的主动视觉能有效地解决手部跟踪过程产生的自遮挡问题。最后一章针对本论文和实验的不足之处做了说明，指出了后续工作的研究方向。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
图表清单  8-10
注释表  10-11
第一章绪论  11-19
  1.1 引言  11-15
    1.1.1 基于数据手套的手部跟踪技术  12-13
    1.1.2 基于计算机视觉的手部跟踪技术  13-15
  1.2 主动视觉的国内外研究现状  15
  1.3 主动视觉应用于手部跟踪所需要解决的问题  15-16
  1.4 本文提出的基于 Stewart 并联机器人的主动视觉手部跟踪方案  16-17
  1.5 本文中拟研究的内容  17-18
  1.6 小结  18-19
第二章基于 Stewart 的主动视觉手部跟踪系统设计  19-28
  2.1 引言  19-20
  2.2 基于 Stewart 机器人的主动视觉系统的硬件结构  20-25
    2.2.1 Stewart 并联机器人主体设计  20-21
    2.2.2 机电控制系统的选型与设计  21-23
    2.2.3 图像采集硬件系统  23-24
    2.2.4 系统其他相关设备  24-25
  2.3 Stewart 并联机器人视觉伺服系统控制软件的理论分析及软件实现  25-27
    2.3.1 视频采集与处理软件平台建立与软件开发  25
    2.3.2 控制算法的软件实现  25
    2.3.3 实时控制核心层  25-26
    2.3.4 平台运行监控层与图像处理监控层  26-27
  2.4 小结  27-28
第三章主动视觉系统中视觉伺服技术的分析与设计  28-38
  3.1 引言  28
  3.2 视觉伺服技术的分类  28-35
    3.2.1 基于位置的视觉伺服技术（3D）  29-30
    3.2.2 基于图像的视觉伺服技术（2D）  30-35
    3.2.3 混合视觉伺服技术（2.5D）  35
  3.3 三种视觉伺服技术的仿真结果及比较总结  35-37
  3.4 小结  37-38
第四章主动视觉系统中涉及的图像处理技术  38-52
  4.1 引言  38-40
  4.2 裸手特征的检测与跟踪  40-47
    4.2.1 肤色模型  40
    4.2.2 基于颜色直方图的手部区域检测定位与跟踪  40-44
    4.2.3 手部轮廓提取  44-45
    4.2.4 指尖和指根位置检测  45-47
  4.3 手部颜色标记特征的检测  47-51
    4.3.1 基于重心的标记特征检测  48-49
    4.3.2 区域增长法  49-50
    4.3.3 增强的多点和变步长区域增长法  50-51
  4.4 小结  51-52
第五章主动视觉手部跟踪系统的分析与设计  52-73
  5.1 引言  52-53
  5.2 基于 Stewart 机器人的主动视觉系统数学模型的建立  53-55
    5.2.1 Stewart 并联机器人的动力学分析  53-55
    5.2.2 摄像机模型的标定  55
  5.3 基于图像的主动视觉手部跟踪控制系统的设计  55-61
    5.3.1 主动视觉系统的基本架构  56-57
    5.3.2 考虑机器人动态特性的主动视觉系统设计  57-61
  5.4 主动视觉手部跟踪的实验与分析  61-71
    5.4.1 手部跟踪仿真实验与结果分析  62-68
    5.4.2 手部跟踪实际实验与结果分析  68-71
  5.5 小结  71-73
第六章总结与展望  73-75
  6.1 本文工作总结  73
  6.2 后续工作展望  73-75
参考文献  75-80
致谢  80-81
在学期间的研究成果及发表的学术论文  81

基于并联机器人的主动视觉手部跟踪技术研究

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