空间舱内基于全景图的虚拟现实技术研究

摘要

近十年来，我国在航天领域逐步取得了举世瞩目的成绩，空间基础技术的研究和实践已达到国际先进水平。随着空间技术发展及空间应用的常态化，一些新的需求被逐步提出。我国的空间站项目已于2010年启动，预计将在2020年建成规模较大、长期有人参与的国家级太空实验室。在这一应用背景下，地面遥视系统仅通过简单文字、声音信息和单一角度的视频已经无法满足实时观测的要求。
　　本文以航天八院十三五项目规划为依托，设计一套将空间舱内场景直观形象地展现给地面测控站科研人员的演示系统，为该院在空间舱的设计研究方面提供更加全面的图像数据。为完成课题任务，本文创新性地提出了将虚拟现实技术、全景图生成技术和图像压缩与传输处理技术相结合的解决方案，该方案能够完成从空间舱内图像采集到图像压缩与传输处理，再到地面虚拟现实显示控制的整套实现。
　　本文主要工作包含以下三个方面。一、基于航天八院提出的空间舱虚拟现实观测需求，设计了包括相机、图像压缩与传输单元和地面虚拟合成的一整套解决方案，并与合作单位协作完成了演示系统的实现。用三角支架固定数码相机在实验室内进行不同俯仰角的旋转拍摄，以此模拟全景相机在空间舱内的拍摄环境，验证了方案的可行性；二、设计并完成了方案中的空间舱内场景图像获取单元，该单元采用基于DSP+FPGA的视频压缩与编码解决方案。FPGA对传感器输入的图像进行滤波后进行数据位宽转换和跨时钟域转换，然后在SRAM进行数据缓存，再根据RS422指令读出数据进行颜色插值、色度空间转换和内嵌同步配置，最后将图像数据送入 DSP进行 JPEG2000压缩编码，图像压缩码流回传到 FPGA做打包处理后经 LVDS接口输出。三、提出了一种基于多焦距切换的全方位漫游方法，并综合利用SURF特征点检测与匹配算法、球面投影模型和RANSAC算法生成全景图，完成了一套基于OpenCV的虚拟现实控制软件。
　　论文实现了空间舱内场景基于全景图的虚拟现实技术，图像压缩与传输处理单元通过了各项实验，虚拟现实显示控制部分也完成了预期功能。本文设计不仅成功地将虚拟现实技术应用到空间舱，还实现了在特定条件下的全方位漫游。软件的实际运行效果说明，在此基础上得到的包含同样场景图像的分辨率更高，显示效果更好。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2国内外基于全景图的虚拟现实研究现状

1.3本文研究的主要内容

1.4本文研究的创新点

第二章 基于全景图的虚拟现实技术理论

2.1基于全景图的虚拟现实技术的设计思想

2.2虚拟现实图像源采集

2.3图像预处理

2.4全景图生成技术

2.5基于全景图的虚拟现实控制

2.6本章小结

第三章 空间舱内场景图像获取单元设计

3.1图像获取单元组成

3.2图像采集

3.3图像预处理

3.4图像压缩所与传输处理

3.5本章小结

第四章 空间舱内虚拟现实设计

4.1全景图像生成

4.2基于全景图的虚拟现实设计

4.3实验结果分析

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

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