基于圖像繪制的遙操作虛擬環(huán)境構建技術研究.pdf

1、基于圖像繪制是從二十世紀九十年代開始在世界范圍內(nèi)興起的一門嶄新學科,它被廣泛應用于虛擬環(huán)境的場景構建等領域,是目前信息科學領域的一個研究熱點。基于圖像繪制的虛擬環(huán)境構建是計算機科學和信息科學的交叉和融合,它涉及到計算機圖形學、計算機視覺、圖象處理、模式識別、人工智能技術等學科的理論和成果?；趫D像繪制技術突破了傳統(tǒng)基于幾何建模和繪制的理論架構,以攝像機拍攝的實景圖像為基礎,運用圖像處理技術對序列實景圖像進行拼接,將看上去孤立的圖像組織成

2、一幅能夠反映全部場景信息的全景圖?；趫D像繪制的場景構建,避免了基于幾何方法的煩瑣建模過程,不需要場景的先驗知識,直接通過圖像變換就能生成具有照片真實感的場景,且繪制速度與場景的復雜度無關,因而特別適合未知環(huán)境的場景構建。
　　具有視覺臨場感的機器人遙操作虛擬環(huán)境構建是虛擬現(xiàn)實技術在智能機器人領域的重要應用。機器人遙操作系統(tǒng)所面對環(huán)境常常都是未知的,因而本文采用基于圖像繪制的方法來構建機器人遙操作虛擬環(huán)境的場景。為了全面理解基于圖

3、像繪制的虛擬環(huán)境構建技術,本文首先介紹了傳統(tǒng)的基于幾何繪制與基于圖像繪制的理論基礎和發(fā)展過程,綜述了基于圖像繪制技術的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向。圍繞如何把攝像機拍攝的實景序列圖像進行拼接,組成一幅能夠反映全部場景信息的全景圖這一虛擬場景構建技術的核心,提出了幾種全景圖像的拼接方法,并實現(xiàn)了機器人全景環(huán)境漫游。
　　針對機器人運動時,攝像機在拍攝實景圖像過程中可能出現(xiàn)的圖像旋轉、鏡頭伸縮和圖像傳輸過程中存在干擾等因素。本文提出了一種基于相

4、位相關的自適應圖像拼接算法,本算法首先對原始圖像進行邊緣提取,得到二值化的邊緣化圖像,這樣可以避免光照條件對圖像的影響;對于待拼接的兩幅圖像存在明顯的旋轉角度和鏡頭縮放情況,本文將上述邊緣化的圖像進行對數(shù)極坐標變換,在對數(shù)極坐標域中旋轉角度和縮放因子就變換成了兩個位移量,這樣就能方便地使用相位相關法來求得待拼接兩幅圖像之間的旋轉角度和縮放因子,在笛卡兒坐標系中調(diào)整兩幅圖像,使兩幅圖像之間僅存在位移關系,這樣就可以使用基于邊緣化圖像的相位

5、相關法來實現(xiàn)兩幅圖像的拼接。
　　為了提高圖像的拼接速度和質(zhì)量,本文提出了一種基于圖像特征角點的二次求精匹配算法,該算法利用角點所具有的旋轉不變性和對光照不敏感的特點,首先采用SUSAN算子抽取待拼接兩幅圖像的特征角點;然后利用快速RANSAC算法,計算圖像之間的單應性矩陣:把得到的初始特征角點對作為重疊區(qū)域圖像中的運動點,引入KLT跟蹤算法來精確定位特征角點對的位置,重新計算精確的單應性矩陣;最后對輸入圖像和參考圖像分別采樣,注

6、入到一幅更大的圖像中,完成圖像的拼接融合。
　　在機器人遙操作虛擬環(huán)境構建中,在保證場景信息完整的情況下,使機器人傳送的圖像數(shù)量盡可能的少,并要求全景環(huán)境生成實時性好等特點。本文提出了一種基于圖像灰度特征矢量和最大匹配度的全景圖像拼接方法,該算法選取參考圖像的一矩形區(qū)域作為匹配塊,以矩形塊邊框的行列像素灰度差作為兩個圖像灰度特征矢量,在待匹配區(qū)域?qū)ふ蚁鄳钠ヅ鋲K的灰度特征矢量;然后計算兩幅圖像間的匹配度，根據(jù)最大匹配度原則來確定兩

7、幅圖像的重疊區(qū)域;最后按照無縫拼接準則來確定重疊區(qū)域的像素值，完成圖像的拼接。
　　通過分析機器人運動對遙操作虛擬環(huán)境場景構建的影響，將機器人的運動分解為平移運動和旋轉運動的組合，采用樹型結構目錄來實現(xiàn)來虛擬環(huán)境場景之間的變換，使得機器人在遙操作虛擬環(huán)境場景中的漫游更加快速、自然。采用基于多視點的形態(tài)變換法來解決視點切換過程的不連續(xù)性，它能夠在一個視點切換到另一個視點的過程中進行平滑和真實的視點轉換。多視點形態(tài)變換法為每一個對象定