完整和部分遮挡物体的识别机理和算法研究

摘要

随着机器人工件抓取任务、自动导航、自动检测、装配任务、医学图象分析和遥感图象分析等大量现实应用的需要，物体识别已成为计算机视觉中的一个研究热点。当三维物体投影成二维图像时，许多三维信息丢失，识别的目的就是要根据二维图像中隐含的信息识别出三维物体。 本论文主要研究从完整的和部分遮挡的物体线图和图像识别平面图形、平面立体和曲面立体的机理和算法。 本文以仿射不变性和透视不变性理论为基础，提出了描述平面多边形形状的拓扑特征和几何特征，以这些特征作为约束条件给出了轴测投影和透视投影下类似形的定义。根据类似形原理，提出了平面多边形为类似形的识别算法；提出一种新的以面作为匹配基元从单幅轴测图和透视图识别平面立体的方法。仿真实验结果表明：该算法不仅能识别形状不同的平面立体，还可以把形状相同，但各部分大小，比例不同的目标区分开，对噪音不敏感。相对于其它的识别算法，该算法有明显的改进。 本文给出了一种新的、适合于仿射变换的局部不变量，建立了一种新的归一化的相似性度量函数，构造了判断目标的各个局部是否被遮挡的丢失特征向量判别函数，仅利用未遮挡部分的局部特征计算待识别目标和模型的整体相似度，可以从单幅线图识别部分遮挡的平面多边形状物体。局部不变量具有仿射不变性，解决了现有识别方法只适用于刚体变换和相似变换的问题。相似性函数和丢失特征判别函数综合考虑了噪声和遮挡带来的影响，仿真实验结果表明该识别算法对遮挡和噪声都不敏感。 本文提出了仿射投影下二维曲线的匹配方法。给出了NRLCTI码的定义。基于NRLCTI码可以初步匹配目标和模型轮廓上的关键特征点，解决了穷尽搜索法寻求特征点对应的高费率和低效率问题。提出了一种以Frobenius范数为基准，基于特征点对应估计出最佳仿射变换矩阵的方法，设计了一种新的算法匹配目标和模型轮廓曲线上的每子段曲线，解决了用特征点表示曲线的不唯一性问题。提出了一种从单幅线图识别二维曲线的算法，用物体分解法把封闭的轮廓分段，通过对每子段曲线的识别实现对整条曲线的识别，解决了用多边形近似曲线的不准确性问题。给出了实验结果。 本文提出了一种新的匹配部分遮挡曲线的算法。根据关键特征点将轮廓曲线分段，匹配目标和模型轮廓曲线上的每子段曲线。提出了一种稳定的Hausdorff距离(简称RHD)，RHD综合考虑了出格点和遮挡的影响，能够胜任有遮挡和噪声的曲线的匹配。基于RHD测量目标和模型特征点集的匹配程度，估计仿射变换矩阵，解决了仿射变换下部分遮挡曲线的匹配问题。估计仿射变换矩阵采取了同类点匹配的原则，大大减少了搜索空间，提高了效率。实验结果表明：该算法简单有效、抗噪声能力较强，在有比较大的遮挡情况下仍有效。 本文详细分析了T型节点与遮挡的关系，提出了多目标场景线图存在遮挡的判断定理；给出了基于线图标记技术分割线图的新方法；给出了基于标记技术补全T型节点附近的拓扑结构的一些规则；仿真实验结果表明：正确恢复出线图互遮挡部分的拓扑结构后，线图的识别率得到了明显提高。提出了以识别出的模型作为知识引导，校正重建出物体拓扑结构的方法。 本文采用属性关系图(ARG)表示平面立体和线图。提出了一种仿射变换下从单幅线图识别部分遮挡的平面立体的方法，在匹配待识别线图与模型结点之前，先用拓扑信息进行候选模型的筛选，仿真实验结果表明：大大提高了识别的效率，不仅能识别不同形状的目标，而且能把拓扑结构相同，但各部分大小、比例不相同的目标区分开。 本文研究了工业零件中常用的两种特殊曲面立体存在遮挡的识别方法。对于端截面形状复杂(关键特征点较多时)的曲面立体，匹配端面曲线；对于包含有一系列椭圆的端截面，选用共面二次曲线对的迹作为不变量分类识别端面。通过对两个端截面的识别实现对整个曲面立体的识别。 本文提出的识别算法均适合于仿射变换，部分算法适合于射影变换。本文识别算法建立了模型与待识别目标特征间的一一对应关系，且能识别多个目标。

目录

文摘

英文文摘

西北工业大学学位论文知识产权声明书及西北工业大学学位论文原创性声明

第一章绪论

1.1本论文的研究目的和意义

1.2物体识别的研究现状

1.2.1二维物体的识别

1.2.2三维物体的识别

1.2.3部分遮挡物体的识别研究

1.2.4物体识别存在的问题

1.3本论文的组织和安排

第二章从单幅完整线图识别平面立体

2.1基本假设

2.2仿射变换和射影变换

2.2.1仿射变换

2.2.2射影变换

2.3仿射变换下类似形的定义和识别

2.3.1仿射变换下类似形的定义

2.3.2仿射变换下类似形的识别

2.3.3算例

2.4射影变换下类似形的定义和识别

2.4.1射影变换下类似形的定义

2.4.2射影变换下类似形的识别

2.4.3算例

2.5从单幅完整线图识别平面立体

2.5.1轴测投影下平面立体的识别

2.5.2透视投影下平面立体的识别

2.6本章小结

第三章从单幅部分遮挡物体的线图识别平面多边形物体

3.1提取局部特征

3.1.1仿射不变性分析

3.1.2局部特征的选取

3.1.3改进的局部不变特征

3.1.4部分遮挡平面多边形轮廓描述的具体实现

3.1.5局部特征的匹配

3.2相似函数

3.3检测丢失特征

3.4实验与结果分析

3.4.1实验

3.4.2实验结果分析

3.5本章小结

第四章完整和部分遮挡的二维曲线识别

4.1关键特征点

4.1.1拐点的投影不变性

4.1.2角点的投影不变性

4.1.3切点的投影不变性

4.2不存在遮挡的平面曲线匹配算法

4.2.1 RLCTI码的定义

4.2.2求解仿射变换矩阵

4.2.3匹配模型和待识别曲线的各小段

4.2.4识别算法

4.2.5算例

4.3部分遮挡的平面曲线匹配算法

4.3.1 Hausdorff距离

4.3.2估计仿射变换矩阵

4.3.3匹配算法

4.3.4实验结果与分析

4.4本章小结

第五章从单幅部分遮挡物体的线图识别平面立体

5.1判断遮挡

5.1.1 T型节点分析

5.1.2恢复T型节点附近物体的拓扑结构

5.2线图的分割

5.2.1分割算法

5.2.2分割算例

5.3提取特征

5.4物体的表示

5.5识别算法

5.5.1候选模型的选取

5.5.2具体的识别算法

5.6实验结果与分析

5.6.1实验

5.6.2实验分析

5.7本章小结

第六章从单幅部分遮挡物体的线图识别曲面立体

6.1基本假设

6.2单个曲面立体的识别

6.2.1第一类曲面立体的识别

6.2.2第二类曲面立体的识别

6.3部分遮挡的曲面立体的识别

6.3.1补全T型节点附近的拓扑结构

6.3.2重建互遮挡部分的拓扑结构

6.3.3实验

6.4本章小结

第七章结论与展望

7.1本论文的研究内容和成果

7.2后续工作展望

参考文献

附录Ⅰ博士期间发表论文等情况

致 谢