图像特征提取、匹配和新视点图像生成技术研究

摘要

基于图像的绘制技术是近几年兴起的一种新的虚拟场景绘制策略,它已成为当前计算机图形学界的一个研究热点.本文对该领域中新视点图像生成和其相关技术进行了研究,主要包括特征的检测和提取、基于点特征和线特征的宽基线(wide baseline)图像匹配、基于轮廓对应的任意新视点图像生成等.本文研究了基于相位一致的特征检测技术,从频域分析图像灰度的突变位置.讨论了不同方向的多尺度下相位一致值计算,并研究了一种用矩理论对各方向相位一致数据进行综合的方法,可有效的区分和提取边缘和角点特征.现有虚拟视点图像生成中初始匹配点的选取,通常是直接在图像上由用户交互方式进行或由摄像机标定得到.本文提出宽基线图像匹配方法,分别是基于点特征的匹配和基于线特征的匹配,将其应用到视图生成中,从而实现了虚拟视点图像的自动生成.根据欲匹配源图像间几何变形的不同,提出了两种点特征邻域的选取和匹配原理方法.该方法以图像中颜色的局部极值点为种子点,过种子点作射线,将沿各射线上颜色变化为最大的点连线围成区域,取该区域的椭圆拟合作为特征区域,该特征区域具有仿射不变性.基于点特征的匹配适用于纹理信息较丰富的图像,对于纹理信息较少的图像,为获得足够多的匹配点,还需要基于线特征的匹配.本文提出的线特征匹配方法通过基于相位一致的边缘检测技术,检测出图像边缘,提取组成边缘直线段链,由三条相邻直线段构成待匹配基元.由已知图像合成新视点的图像是基于图像的绘制中的一项基本技术,它用具有高度真实感的图像来表示虚拟场景.视图合成工作是在两幅同一目标景物,不同视点的图像之间合成一系列连续的期间过渡图像,其中要求合成视图应该具有三维真实感,如同虚拟摄像机所采集的图像.本文提出一种基于摄像机横向和纵向移动采集的图像合成新视点图像的方法,该方法在合成图像中优先保证轮廓对应准确,从而使合成图像轮廓清晰.对通过摄像机分别作横向和纵向运动采集的四幅图像,本文提出的新视点图像生成方法,可以实现在上述四幅图像视点围成的四边形中任意新视点图像.本文以导管架下水运动参数测量系统的开发为主要的工程应用背景,研究了基于立体视觉和序列图像的非接触式测量方法.实验表明,将立体视觉与运动分析相结合可实现导管架下水运动的非接触式测量,测量精度较高,能够满足测量需要,可实现在线测量.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1计算机图形学

1.1.2数字图像处理和计算机视觉

1.2基于图像的绘制技术

1.2.1基于图像的生成绘制技术的发展历史

1.2.2基于图像的生成绘制技术的分类

1.2.3几种基于图像的生成绘制技术的比较

1.3多视图几何的基本理论

1.3.1摄像机模型

1.3.2图像之间的几何变换和极线几何约束

1.3.3光照变化对成像的影响

1.4基于图像对应的视图合成技术回顾

1.4.1像素投影转移

1.4.2视图插值

1.5图像特征匹配综述

1.5.1图像间基于点特征的匹配

1.5.2图像间基于线特征的匹配

1.6论文的主要工作及其组织

第二章图像边缘和角点特征检测

2.1引言

2.1.1边缘检测

2.1.2角点检测

2.2利用相位信息进行特征检测

2.2.1相位一致性(PC：Phase Congruency)

2.2.2局部能量(Local Energy)与相位一致

2.2.3基于小波的相位一致性计算

2.2.4噪音

2.3特征检测

2.3.1二维滤波器的设计

2.3.2滤波器的方向

2.3.3二维中的噪声补偿

2.3.4基于各方向相位数据矩计算的特征检测

2.4小结

第三章基于点特征的宽基线图像匹配

3.1引言

3.2基于仿射不变量的特征区域提取

3.2.1特征区域的提取

3.2.2特征区域的正则化

3.3 Gaussian尺度空间原理及性质

3.3.1尺度空间定义

3.3.2尺度空间的基本定理

3.3.3尺度空间与其它图像多分辨率表示的区别

3.4基于尺度空间的特征区域提取

3.4.1特征点的特征尺度

3.4.2特征区域的提取

3.5特征区域的匹配

3.5.1标准化亮度变化

3.5.2特征区域的描述

3.5.3利用视点一致性约束剔除错误匹配

3.5.4基本矩阵计算

3.6实验结果及分析

3.7本章小结

第四章基于边缘直线特征的宽基线图像匹配

4.1引言

4.2基于直线段的特征匹配

4.2.1直线的提取

4.2.2直线段间的几何结构关系

4.2.3匹配的基元

4.2.4基元的匹配

4.2.5全局几何校核

4.3实验结果及分析

4.4本章小结

第五章基于轮廓对应的虚拟视点图像生成

5.1引言

5.2轮廓对应

5.2.1直线对的匹配

5.2.2直线段的匹配

5.3任意虚拟视点图像的生成

5.3.1预变换

5.3.2平行变换插值

5.3.3后置变换

5.3.4摄像机纵向运动时远视点无对应区域的处理

5.3.5算法描述

5.4虚拟视点视图生成实例和实时漫游

5.5本章小结

第六章基于立体序列图像的导管架下水运动参数测量

6.1引言

6.2立体视觉测量

6.2.1立体视觉原理

6.2.2摄像机标定

6.2.3测量特征点的设置与跟踪

6.3实验结果及分析

6.4本章小结

第七章总结与展望

7.1全文工作总结

7.2展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

论文创新点摘要

致谢

大连理工大学学位论文版权使用授权书