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基于DSP的单目视觉定位方法关键技术研究

作　者: 赵立双
导　师: 冯莹
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 光学工程
关键词: 单目视觉定位特征提取特征匹配图像变换嵌入式数字信号处理器计算机视觉开放库
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 43次
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内容摘要

单目视觉定位方法具有系统结构简单、适应性强、成本低廉等特点,目前在移动机器人、同时定位与地图生成(SLAM)、三维城市构建、汽车定位导航等领域已经展开了广泛研究。传统的单目视觉定位系统大都是在PC机上实现的,为了进一步提升现有系统的可集成性和稳定性,提出在DSP嵌入式平台上实现单目视觉定位方法。利用DSP嵌入式平台作为处理器可以使单目视觉定位系统具有体积小、功耗低、稳定性高、便于集成等优点,从而进一步推进单目视觉定位系统的研究与应用。首先,回顾了定位方法的发展,并对各种定位方法的原理和局限性做了简要分析。在此基础上对单目视觉定位方法的发展现状进行了阐述,提出了基于嵌入式平台的单目视觉定位系统。其次,在PC机上基于视觉定位方法的框架,对特征提取、特征匹配、变换矩阵估计等步骤常用的算法进行了研究。比较了Harris、SIFT、SURF三种特征提取算法,基于Harris算法和SURF算法提出了Harris-SURF方法;研究了SURF算法参数对定位精度和定位频率的影响,选取了合适的SURF算法参数(组数、层数),提出了动态调整hessian矩阵行列式阈值的方法,通过参数的优化大幅降低了特征提取所需的时间;分析了单目视觉定位方法中特征匹配的特点,提出了基于轨迹预测的特征匹配方法,提高了特征匹配的正确率和效率。再次,构建了基于PC机平台的单目视觉定位系统。基于这一系统验证了改进后算法的有效性,并利用“SURF特征提取+基于轨迹预测的穷尽搜索特征点匹配方法+基于RANSAC算法的相似变换模型估计”方案进行了长距离(506米)定位实验,实验结果表明该系统的距离精度达到了2%,航向精度达到了2.8%,定位频率达到16fps。最后,构建了基于DSP嵌入式平台的单目视觉定位系统。综合考虑系统的定位精度、定位频率以及系统开发的难易程度和周期,选用了“Harris特征提取+具有旋转不变性的NCC区域匹配+基于RANSAC算法的相似变换模型估计”方案对相邻两帧图像之间的运动参数解算进行实验,以此来验证嵌入式基于DSP嵌入式平台的单目视觉定位系统的可行性。实验表明该系统能够给出较好的解算结果,其中平移精度达到0.99%,旋转精度达到3.30%。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章绪论  12-19
  1.1 课题研究的意义  12
  1.2 定位方法概述  12-15
    1.2.1 码盘定位  13
    1.2.2 天文定位  13
    1.2.3 惯导系统定位  13-14
    1.2.4 无线电定位  14
    1.2.5 视觉定位  14-15
  1.3 视觉定位方法及研究现状  15-17
    1.3.1 国外研究现状  15-16
    1.3.2 国内研究现状  16-17
  1.4 研究内容与论文结构  17-19
    1.4.1 研究内容  17
    1.4.2 论文结构  17-19
第二章视觉定位算法  19-46
  2.1 图像特征提取  20-33
    2.1.1 Harris 算法  20-22
    2.1.2 SIFT 算法  22-26
    2.1.3 SURF 算法  26-30
    2.1.4 Harris-SURF 算法  30-31
    2.1.5 SURF 算法参数优化  31-33
  2.2 特征匹配  33-39
    2.2.1 区域匹配法  33-34
    2.2.2 基于特征向量的最近邻法  34-37
    2.2.3 基于轨迹预测的特征匹配方法  37-39
  2.3 变换矩阵估计  39-43
    2.3.1 变换模型选取  39-40
    2.3.2 RANSAC 算法  40-43
  2.4 运动轨迹解算  43-45
  2.5 小结  45-46
第三章实验系统的构建  46-70
  3.1 基于PC 机的单目视觉定位系统  46-47
  3.2 基于DSP 嵌入式平台的单目视觉定位系统  47-56
    3.2.1 嵌入式系统及DSP 介绍  48-51
    3.2.2 DSP 系统构成  51-54
    3.2.3 相机  54-56
  3.3 DSP 软件开发  56-69
    3.3.1 开发平台简介  57-58
    3.3.2 编程模式选择  58-59
    3.3.3 DSP 编程  59-67
    3.3.4 链接器描述文件配置与内存分配  67-69
  3.4 小结  69-70
第四章实验研究与结果分析  70-79
  4.1 算法改进实验  70-73
    4.1.1 SURF 算法参数优化实验  70-71
    4.1.2 Hessian 行列式阈值动态设定实验  71-72
    4.1.3 基于轨迹预测的特征匹配方法验证  72-73
  4.2 PC 机上单目视觉定位系统实验  73-76
  4.3 DSP 嵌入式平台上单目视觉定位系统实验  76-78
  4.4 小结  78-79
第五章总结与展望  79-81
  5.1 总结  79
  5.2 展望  79-81
致谢  81-83
参考文献  83-87
作者在学期间取得的学术成果  87-88

基于DSP的单目视觉定位方法关键技术研究

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