基于自然特征的三维注册检测实时性改进研究

摘要

在虚拟现实技术的基础上，增强现实技术凭借其虚实结合的特点，不仅成为当前多媒体技术的研究热点之一，在各大领域中也展现出广泛的应用前景。三维注册技术是实现增强现实虚实结合的核心技术，目前，在基于计算机视觉的三维注册技术类别中，基于自然特征的三维注册技术是最为主流的研究方向。在三维注册的累积误差消除过程中，采用重新检测策略时的特征点检测耗时较长，顿卡现象严重，降低了系统实时性。实时性作为三维注册方法的主要指标之一，具有重要的研究意义。
　　 在总结了相关研究基础后，对基于自然特征的三维注册技术的实时性进行了一系列研究工作:
　　 首先，针对检测阶段计算规模大的问题，对三维注册检测阶段的分步计算进行了研究。在特征匹配过程中，引入了模板特征点可信度概念，并设计了可信度调控策略;在特征检测过程中，引入了主监视窗概念，并设计了简单扩展策略。实验证明，通过上述技术手段，检测阶段的计算规模得以下降，检测阶段和跟踪阶段之间的速度差得以拉近，顿卡现象和系统实时性得以改善。
　　 其次，针对以上研究中改善效果持续性差的问题，对主监视窗的行为优化策略进行了研究。在一段时间的三维注册中，当主监视窗经常需要扩展多次，才能获取足够的特征信息来完成工作时，该方法对顿卡现象和系统实时性的改善效果甚微。针对该问题，为主监视窗的扩展行为设计了优先级扩展策略;为主监视窗的跟踪行为设计了缩放和平移策略。根据上述优化策略，以及SURF、BBF、RANSAC、基于图像金字塔的光流跟踪算法等基础算法，提出了一套完整的基于主监视窗扩展技术三维注册方法。实验证明，使用该注册方法，在一段时间内，主监视窗的预期扩展次数减少，检测阶段的计算规模稳定抑制在较低水平，顿卡现象和系统实时性得以持续改善。
　　 最后，设计和开发了一个具有主监视窗算法对比实验功能的三维注册实验平台。测试证明，该实验平台能够完成上述研究所要求实验任务。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 三维注册技术的研究现状

1．2．1 三维注册技术的分类

1．2．2 基于自然特征的三维注册技术

1．3 论文主要工作

1．4 论文组织结构

第二章 基于自然特征的三维注册技术基础

2．1 计算机视觉理论基础

2．1．1 投影矩阵

2．1．2 内参矩阵

2．1．3 单应矩阵

2．1．4 利用单应矩阵完成三维注册

2．1．5 主流三维注册方法的实现流程

2．2 三维注册技术支撑技术

2．2．1 特征检测与描述技术

2．2．2 特征匹配技术

2．2．3 特征跟踪技术

2．3 本章小结

第三章 引入模板特征点可信度与主监视窗技术研究

3．1 问题描述和算法研究思路

3．2 详细设计

3．2．1 引入模板特征点可信度

3．2．2 引入主监视窗

3．2．3 主监视窗的简单扩展策略

3．3 算法实验与分析

3．3．1 多环境注册实验

3．3．2 重新检测策略实验

3．3．3 SURF分割提取实验

3．4 本章小结

第四章 主监视窗的扩展、缩放和平移优化策略研究

4．1 问题描述及算法研究思路

4．2 详细设计

4．2．1 主监视窗的优化扩展策略

4．2．2 主监视窗的缩放和平移策略

4．3 本文三维注册方法的工作流程

4．3．1 总体流程

4．3．2 改进的检测阶段算法流程

4．4 算法实验与分析

4．4．1 主监视窗优化扩展实验

4．4．2 顿卡现象缓解效果实验

4．4．3 注册对比实验

4．5 本章小结

第五章 基于主监视窗的三维注册实验平台的设计和实现

5．1 需求分析

5．1．1 运行要求

5．1．2 功能需求

5．2 概要设计

5．2．1 架构设计

5．2．2 功能模块图设计

5．3 详细设计

5．3．1 界面设计

5．3．2 各功能模块的详细设计

5．4 平台测试

5．4．1 平台各功能测试

5．4．2 集成测试

5．5 本章小结

第六章 总结及展望

6．1 论文工作总结

6．2 展望

致谢

攻硕期间从事的科研工作及取得的研究成果

参考文献