基于圆形目标成像分析的人体头部姿态信息测量研究

摘要

头部姿态信息测量是机器视觉与模式识别领域中的重要研究课题，其主要研究目的是测量头部在三维空间中的姿态信息参数。现有的头部姿态信息测量技术多存在设备复杂和计算量大等缺点。本文基于光电信息测量原理，提出了一种基于单目视觉测量与几何目标相结合的动态头部姿态信息测量新方法。通过对固定于人体头部的几何目标进行光学成像分析，获得几何目标成像与姿态角度之间的关系，进而实现人体头部姿态信息的计算。本文提出并设计的头部姿态信息测量系统通过实验测量验证达到了预期效果。本文研究为使头部姿态信息测量更加简单实用提供了一种新的有效途径。全文的主要研究内容和创新性工作如下:
　　(1)提出了基于圆形目标成像分析的人体头部姿态信息测量方法。通过对现有头部姿态信息测量技术的分析，提出了基于单目视觉测量与几何目标相结合的头部姿态信息测量技术。研究了球形和圆形两种几何目标在头部姿态信息测量中的优缺点，并选择圆形作为头部姿态信息测量的附加几何目标。对圆形目标的设计方法及安装方式进行了研究。通过分析运动过程中圆形目标及标注其上的两条直径在摄像机成像平面的成像变化，实现对人体头部姿态信息的测量。
　　(2)提出了一种基于光学成像分析的圆形目标旋转角度计算方法。基于摄像机光学成像原理，分析了当圆形目标与摄像机处于不同相对姿态时圆形目标的成像。并在此基础上，分别分析了当人体头部做简单运动和复杂运动时标注于圆形目标上两条直径的成像变化情况。并通过几何推导给出了简单情况和复杂情况下圆形目标俯仰角、滚转角和偏航角的计算方法。
　　(3)提出了一种基于直径成像分析的圆形目标姿态二义性消除方法。从圆形目标图像中提取两条直径所成的像，通过分析直径所成像的斜率以及半径所成像的长度，判断圆形目标相对于初始位置的运动方向，进而实现确定圆形目标姿态，可以消除在计算圆形目标姿态时通常出现的姿态二义性现象。
　　(4)提出了一种普通光学成像条件下圆形目标图像的处理方法。在普通光学成像条件下，头部姿态信息测量系统所采集的圆形目标图像多属于弱成像质量图像。提出了小波降噪、灰度变换、直方图处理及图像二值化等弱成像质量图像处理的步骤。采用该方法，圆形目标图像质量得到提高，并且获得了圆形目标的二值图像。
　　(5)研究了基于圆形目标成像分析的人体头部姿态信息测量系统的结构，并设计了头部姿态信息测量的软件系统。提出了基于圆形目标直径的头部初始位置判定方法，并提出基于斜率的两条直径区分方法。对本文中设计的系统进行了实验研究，通过模拟实验和人体头部实验，验证了本系统的可行性。本项研究具有重要的理论和实用价值。

目录

摘要

注释表

缩略词

第一章 绪论

1．1 研究目的与意义

1．2 头部姿态信息测量概述

1．3 头部姿态信息测量的国内外研究现状

1．3．1 头盔瞄准具的头部姿态信息测量技术研究现状

1．3．2 基于视觉的头部姿态信息测量研究现状

1．3．3 头部姿态信息测量主要方法

1．3．4 国内外研究现状分析

1．4 论文主要研究工作

第二章 基于刚体模型的头部运动分析

2．1 头部运动的生物学机理

2．2 头部的运动分析

2．3 头部刚体模型

2．3．1 刚体

2．3．2 定向与旋转

2．3．3 旋转运动表示法

2．3．4 旋转矩阵

2．4 本章小结

第三章 基于单目视觉与圆形目标的头部姿态信息测量

3．1 光电成像设备

3．1．1 COD摄像机

3．1．2 CCD摄像机的光学系统

3．1．3 CCD摄像机的光电转换系统

3．2 视觉测量

3．2．1 视觉测量系统分类

3．2．1 头部姿态信息测量中的视觉测量系统

3．3 基于单目视觉与圆形目标的头部姿态信息测量技术

3．3．1 基于几何方法的头部姿态信息测量

3．3．2 基于附加几何标志的头部姿态信息测量

3．4 本章小结

第四章 基于光学成像分析的圆形目标旋转角度计算

4．1 摄像机光学成像模型

4．1．1 中心透视投影模型

4．1．2 中心透视投影成像关系

4．2 基于分析方法的圆形目标定位

4．2．1 圆形目标定位问题的表述

4．2．2 圆形目标的三维姿态计算

4．2．3 圆形目标的三维位置计算

4．3 圆形目标的摄像机光学成像研究

4．3．1 圆形目标的透视投影

4．3．2 圆形目标的透视投影畸变研究

4．4 基于光学成像分析的圆形目标旋转角度计算方法

4．4．1 简单情况下旋转运动中直径的透视投影分析与各旋转角度求解

4．4．2 复杂情况下旋转运动中直径的透视投影分析与各旋转角度求解

4．4．3 现场测量俯仰角、滚转角和偏航角的方法

4．4．4 圆形目标姿态二义性的消除

4．5 本章小结

第五章 头部姿态信息测量中的图像处理与旋转角度计算

5．1 弱成像质量图像处理技术

5．1．1 图像降噪

5．1．2 图像增强

5．1．3 图像二值化

5．1．4 数学形态学

5．2 弱成像质量的圆形目标图像处理

5．3 圆形目标宣径的提取

5．4 圆形目标初始位置的判定

5．5 圆形目标旋转角度计算的图像测量实现

5．5．1 两条直径的斜率计算方法

5．5．2 两条直径交点坐标的计算方法

5．5．3 滚转角的计算方法

5．5．4 俯仰角的计算方法

5．5．5 偏航角的计算方法

5．5．6 计算三个旋转角度的步骤

5．6 本章小结

第六章 头部姿态信息测量系统及实验研究

6．1 摄像机有效焦距的计算方法

6．1．1 摄像机感光芯片尺寸

6．1．2 CCD摄像机有效焦距的计算方法

6．2 头部姿态信息测量系统的软件设计

6．2．1 软件系统设计思路

6．2．2 软件系统功能实现

6．3 头部姿态信息测量系统结构

6．4 头部姿态信息测量模拟实验

6．4．1 简单情况下旋转角度的测量

6．4．2 复杂情况下旋转角度的测量

6．4．3 实验结果讨论

6．5 头部姿态信息测量系统应用于人体头部的实验研究

6．5．1 实验方案

6．5．2 人体头部姿态信息的实验测量

6．5．3 提高测量精度的措施

6．6 人体头部姿态信息测量系统应用与前景探讨

6．6．1 系统在军事领域中的应用

6．6．2 系统在虚拟现实系统中的应用

6．6．3 系统在驾驶员疲劳提醒中的应用

6．7 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 论文工作总结

7．2 创新点总结

7．3 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文