基于图像序列的连接体和弹性体三维运动分析

摘要

物体的运动估计是计算机视觉研究中的一个重要方向，它包括刚体和非刚体运动分析两大类。由于刚体运动的简单性，运动分析的早期研究大都基于刚性假设展开并形成了一套成熟的理论框架。然而，现实世界中大多数运动物体都具有非刚性，因此用刚性假设来描述现实世界中物体运动是不充分的，需要对非刚体运动进行深入研究。 本文主要针对非刚体中的连接体和弹性体运动展开分析，提出了基于特征点对应的运动模型和算法。本文主要内容归纳如下： 第1章介绍了非刚体运动的基本知识，分析了国内外非刚体运动的研究现状，提出了本文主要的研究内容和研究方法。 第2章介绍了三维运动估计的基本概念，分析了三维运动的表示以及一般的分析方法。 第3章探讨了单目摄像机的标定方法，要估计物体的三维运动必须先建立摄像机模型，因此要通过摄像机标定求出摄像机的内、外参数。然后，基于单目摄像机标定结果，给出了双目立体测量的方法，为下一章的实验研究提供第一帧图像中特征点的三维空间坐标。 第4章研究了基于小平面对应的连接体运动分析方法。在求解运动参数时，根据优化方法以及对误差的分析提出了两步的计算方法，即先求解第二帧的z坐标，然后再根据三维点匹配求解运动参数。由于能提供很好的初值并利用了图像序列的特点，求解的值具有很好的鲁棒性。最后采用本文的方法对手指运动进行了分析，实验表明该方法能很好地恢复出手指的三维运动轨迹。 第5章采用Markov随机场的方法研究弹性体运动。首先讨论了Markov随机场的基本理论，给出了解决问题的一般框架。然后针对弹性体的运动方式建立了相应的能量函数，包括似然能量和先验能量。为了求解能量最小状态，讨论了模拟退火算法，并根据具体情况做了相应的改进。实验结果表明该方法能鲁棒地求解弹性体运动参数。 第6章对本文研究工作进行了总结，并对未来的研究工作进行了展望。

目录

文摘

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第1章绪论

1.1非刚体运动视觉的研究意义

1.2非刚体运动形式的分类

1.3非刚体运动研究现状

1.3.1连接体运动

1.3.2弹性体运动

1.4本文研究的问题、内容及方法

第2章三维运动分析的基本概念和方法

2.1三维运动分析的基本问题

2.2坐标系

2.3成像模型

2.4三维运动的一般描述

2.5三维运动分析方法的基本分类

2.5.1基于特征对应的运动估计方法

2.5.2基于光流计算的运动估计方法

2.5.3两类运动分析方法的比较

2.6本章小结

第3章摄像机标定

3.1引言

3.2 Tsai摄像机标定方法

3.2.1摄像机模型及坐标系变换

3.2.2 RAC约束

3.2.3 Tsai摄像机标定的计算方法

3.3角点提取

3.3.1 Harris角点检测方法

3.3.2自动提取角点

3.4双目摄像机测量

3.5实验分析

3.5.1 Tsai摄像机标定

3.5.2双目摄像机测量

3.6本章小结

第4章基于小平面对应的连接体运动估计

4.1引言

4.2手指模型

4.3手指三维运动的估计

4.3.1三维运动估计的基本思想

4.3.2求第二帧特征点的z坐标

4.3.3由三维点匹配估计运动参数

4.4特征点跟踪

4.5实验分析

4.5.1求第一帧特征点的坐标

4.5.2基于块匹配的特征点跟踪

4.5.3手指的三维运动估计实验

4.6本章小结

第5章基于MRF模型的非刚体三维运动估计

5.1引言

5.2 Markov随机场

5.2.1基本概念

5.2.2图像的概率模型与Markov随机场

5.2.3基于MAP-MRF的分析框架

5.3基于MAP-MAF的非刚体三维运动估计

5.3.1位置和标记

5.3.2邻域系和基团的确定

5.3.3能量函数的确定

5.4利用模拟退火算法估计三维运动参数

5.4.1模拟退火算法

5.4.2估计三维运动参数

5.5实验结果分析

5.6本章小结

第6章总结与展望

6.1本文工作总结

6.2进一步研究展望

参考文献

致谢

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