基于圖像繪制的遙操作虛擬環(huán)境構(gòu)建技術(shù)研究.pdf

1、基于圖像繪制是從二十世紀(jì)九十年代開始在世界范圍內(nèi)興起的一門嶄新學(xué)科,它被廣泛應(yīng)用于虛擬環(huán)境的場(chǎng)景構(gòu)建等領(lǐng)域,是目前信息科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。基于圖像繪制的虛擬環(huán)境構(gòu)建是計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息科學(xué)的交叉和融合,它涉及到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、圖象處理、模式識(shí)別、人工智能技術(shù)等學(xué)科的理論和成果。基于圖像繪制技術(shù)突破了傳統(tǒng)基于幾何建模和繪制的理論架構(gòu),以攝像機(jī)拍攝的實(shí)景圖像為基礎(chǔ),運(yùn)用圖像處理技術(shù)對(duì)序列實(shí)景圖像進(jìn)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(chǎng)景信息的全景圖?；趫D像繪制的場(chǎng)景構(gòu)建,避免了基于幾何方法的煩瑣建模過程,不需要場(chǎng)景的先驗(yàn)知識(shí),直接通過圖像變換就能生成具有照片真實(shí)感的場(chǎng)景,且繪制速度與場(chǎng)景的復(fù)雜度無關(guān),因而特別適合未知環(huán)境的場(chǎng)景構(gòu)建。
　　具有視覺臨場(chǎng)感的機(jī)器人遙操作虛擬環(huán)境構(gòu)建是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在智能機(jī)器人領(lǐng)域的重要應(yīng)用。機(jī)器人遙操作系統(tǒng)所面對(duì)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(gòu)建機(jī)器人遙操作虛擬環(huán)境的場(chǎng)景。為了全面理解基于圖

3、像繪制的虛擬環(huán)境構(gòu)建技術(shù),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(chǔ)和發(fā)展過程,綜述了基于圖像繪制技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向。圍繞如何把攝像機(jī)拍攝的實(shí)景序列圖像進(jìn)行拼接,組成一幅能夠反映全部場(chǎng)景信息的全景圖這一虛擬場(chǎng)景構(gòu)建技術(shù)的核心,提出了幾種全景圖像的拼接方法,并實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人全景環(huán)境漫游。
　　針對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí),攝像機(jī)在拍攝實(shí)景圖像過程中可能出現(xiàn)的圖像旋轉(zhuǎn)、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(guān)的自適應(yīng)圖像拼接算法,本算法首先對(duì)原始圖像進(jìn)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(duì)圖像的影響;對(duì)于待拼接的兩幅圖像存在明顯的旋轉(zhuǎn)角度和鏡頭縮放情況,本文將上述邊緣化的圖像進(jìn)行對(duì)數(shù)極坐標(biāo)變換,在對(duì)數(shù)極坐標(biāo)域中旋轉(zhuǎn)角度和縮放因子就變換成了兩個(gè)位移量,這樣就能方便地使用相位相關(guān)法來求得待拼接兩幅圖像之間的旋轉(zhuǎn)角度和縮放因子,在笛卡兒坐標(biāo)系中調(diào)整兩幅圖像,使兩幅圖像之間僅存在位移關(guān)系,這樣就可以使用基于邊緣化圖像的相位

5、相關(guān)法來實(shí)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(diǎn)的二次求精匹配算法,該算法利用角點(diǎn)所具有的旋轉(zhuǎn)不變性和對(duì)光照不敏感的特點(diǎn),首先采用SUSAN算子抽取待拼接兩幅圖像的特征角點(diǎn);然后利用快速RANSAC算法,計(jì)算圖像之間的單應(yīng)性矩陣:把得到的初始特征角點(diǎn)對(duì)作為重疊區(qū)域圖像中的運(yùn)動(dòng)點(diǎn),引入KLT跟蹤算法來精確定位特征角點(diǎn)對(duì)的位置,重新計(jì)算精確的單應(yīng)性矩陣;最后對(duì)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(jī)器人遙操作虛擬環(huán)境構(gòu)建中,在保證場(chǎng)景信息完整的情況下,使機(jī)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(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。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(gè)圖像灰度特征矢量,在待匹配區(qū)域?qū)ふ蚁鄳?yīng)的匹配塊的灰度特征矢量;然后計(jì)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(zhǔn)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)對(duì)遙操作虛擬環(huán)境場(chǎng)景構(gòu)建的影響，將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分解為平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合，采用樹型結(jié)構(gòu)目錄來實(shí)現(xiàn)來虛擬環(huán)境場(chǎng)景之間的變換，使得機(jī)器人在遙操作虛擬環(huán)境場(chǎng)景中的漫游更加快速、自然。采用基于多視點(diǎn)的形態(tài)變換法來解決視點(diǎn)切換過程的不連續(xù)性，它能夠在一個(gè)視點(diǎn)切換到另一個(gè)視點(diǎn)的過程中進(jìn)行平滑和真實(shí)的視點(diǎn)轉(zhuǎn)換。多視點(diǎn)形態(tài)變換法為每一個(gè)對(duì)象定