基于光流场算法的小位移图像测量技术研究

摘要

火灾的发生在日常生活中较为常见，因火灾导致建筑物的垮塌是威胁救援人员人身安全的主要因素之一。建筑物在垮塌之前往往会有一定的迹象——高温导致建筑物受热膨胀产生足够的位移量。目前，还没有专门用于监测火灾发生时建筑物垮塌迹象的技术，而相关的技术（如监测大坝、山体的位移的技术）因其不便于携带、特定环境（救援环境）下抗干扰能力差等原因导致其难以满足火灾发生时楼房位移量监测的特殊需求。因此，本文提出了一种基于光流场的微小位移遥测技术，针对火灾发生时建筑物受热膨胀的特点及应用场景进行实时监测并对楼房垮塌迹象做出预警。 本文所做出的研究工作主要包括以下几点： （1）结合社会需求和现有的相关监测技术进行分析，完成了对监测系统的功能布局及整体设计构想。 （2）结合应用场景的需求分析对比了稠密光流场和稀疏光流场以及几种常见角点的优缺点，从而决定出本文实验应采用的算法，对稀疏光流场的一些改进技术进行了介绍，并就光流法对建筑物受热膨胀所产生的位移进行监测的可行性进行了分析。 （3）针对实际应用时可能出现的各种干扰监测及计算的问题进行探究式实验研究。主要就图像预处理、角点分布不均问题、区分干扰物与被监测物位移问题以及由于频繁“四舍五入”导致的计算精度下降等问题的解决方案进行实验探究及结果分析。为后续实验的算法设计提供实验依据。 （4）综合探究性实验的结果和理论分析结果设计出可行的解决方案，提出了运用光流进行角点匹配以提高系统实时性、使用运动速度不同的特点进行干扰排除、进行亚像素级角点计算以避免过大的“舍入”误差等方法，使得算法解决方案的计算稳定且精确度高。 （5）根据实验室条件进行实验系统设计及搭建，针对现实情况下可能出现的一些干扰进行模拟实验，检验了解决方案的可行性和准确性。整理并分析了实验数据，结果表明该解决方案可以稳定地对建筑物的微小位移进行监测，且对于上述提到的干扰情况都能不受其影响而得到较好的监测效果。

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摘 要

ABSTRACT

目 录

第一章 绪论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 国内外研究历史与现状

1.2.1 合成孔径雷达干涉技术（In-SAR）

1.2.2 GPS监测技术

1.3 本文的主要贡献与创新

1.4 本论文的结构安排

第二章 光流场计算及其监测原理

2.1 计算机视觉与光流

2.2 光流场

2.3 光流计算方法

2.3.1 微分法

2.3.2 匹配法

2.3.3 相位法

2.3.4 神经动力学法

2.4.1 稠密光流场

2.4.2 稀疏光流场

2.5 图像金字塔

2.6 图像金字塔的分类

2.6.1 高斯金字塔

2.6.2 拉普拉斯金字塔

2.8 金字塔的建立

2.9 金字塔跟踪

2.10 金字塔高度的选择

2.11 监测可行性

2.12 本章小结

第三章 角点检测与匹配技术

3.1 角点检测技术

3.1.1 角点检测的必要性

3.2 Harris角点

3.2.1 Harris角点的定义

3.2.2 Harris角点的检测

3.2.3 Harris角点的匹配

3.3 sift角点

3.3.1 sift角点的定义

3.3.2 sift角点的检测

3.3.3 sift角点的匹配

3.4 距离计算

3.5 亚像素级角点计算

3.6 光流法进行角点匹配

3.7 本章小结

第四章 干扰问题研究

4.1 预处理

4.2 干扰物的屏蔽

4.3 其他问题的处理

4.4 本章小结

第五章实验及结果分析

5.1 实验系统设计

5.1.1 实验装置实际场景使用说明

5.1.2 实验室模拟场景的实验说明

5.2.1 CCD像机

5.2.2 相机及V型支架

5.2.3 微型直线移动台

5.3 算法设计

5.4.1 开发工具介绍

5.4.2 软件设计

5.5 实验结果及分析

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致 谢

参考文献

研究生期间的学术成果