基于立體視覺的蝙蝠耳朵形變的三維重建.pdf

1、隨著人類社會的不斷進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類在工程領(lǐng)域遇到的問題越來越多，對于一些擁有獨特結(jié)構(gòu)和自身工作機制的生物而言，在他們漫長的進(jìn)化過程中大量類似于人類工程領(lǐng)域的問題已經(jīng)得以解決，這些問題的解決能夠給予我們很大的啟示。因此仿生學(xué)應(yīng)運而生，對于在地球上存在了千百萬年，且擁有獨特的生理結(jié)構(gòu)和其獨有的適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的自身機制的生物的研究已經(jīng)成為熱點。仿生學(xué)的研究，不僅能夠讓我們了解動物復(fù)雜生理結(jié)構(gòu)和在復(fù)雜的環(huán)境里得以生存的自身機制，而且

2、可以根據(jù)生物生存的物理機制來幫助人類解決工程技術(shù)上的諸多難題。
　　其中，科學(xué)家對蝙蝠的認(rèn)識和研究已經(jīng)經(jīng)歷了很長的時間。在眾多的哺乳動物中，蝙蝠是擁有真正飛行能力的唯一物種，它們在黑暗環(huán)境中的生存能力和適應(yīng)能力非常強。蝙蝠的視力很差以致于基本看不到物體，在生存中蝙蝠基本上不能依靠差勁的視覺系統(tǒng)來維持生命活動，而是通過從口腔和鼻發(fā)出超聲波，這些超聲波遇到障礙物后會反射回來，蝙蝠的耳朵接收這些反射回來的超聲波信號并根據(jù)這些信號來識別物

3、體，從而完成生命活動的各種任務(wù)。蝙蝠能夠依靠聲音信號來識別物體的原因是其擁有超群的分辨聲音的能力，耳朵內(nèi)部存在超聲定位的結(jié)構(gòu)，它們可以分辨頻率高達(dá)300khz/s的聲音，而人類能分辨的聲音的頻率一般在14khz/s以下。
　　通過研究蝙蝠回聲定位的工作原理，我們可以掌握它的物理機制，并將其應(yīng)用在一些工程技術(shù)中。而根據(jù)此前的一些相關(guān)研究，馬鐵菊頭蝠耳朵的非剛性形變行為可使外耳波束特性產(chǎn)生重要的功能性改變，進(jìn)而為馬鐵菊頭蝠超聲波束特性

4、提供了行為適應(yīng)性的新方式[1]。此前，對蝙蝠耳朵的三維模型的研究較少且精度不高。
　　我們通過對蝙蝠耳朵非剛性形變的過程進(jìn)行動態(tài)的三維重建，給蝙蝠耳朵在接收超聲信號上的工作機制研究提供依據(jù)。本文我們主要利用立體視覺的技術(shù)來得到蝙蝠耳朵形變的三維模型，并對模型進(jìn)行相應(yīng)的處理，得到稠密、精確的模型，通過幾何追蹤建立動態(tài)三維模型，最后根據(jù)重建得到的模型初步分析了蝙蝠耳朵非剛性形變的一些物理量。本文研究工作中使用的方法主要有:
　　

5、1.實驗數(shù)據(jù)的獲取。利用兩臺高速攝像機，捕獲蝙蝠耳朵非剛性形變的動態(tài)數(shù)據(jù)。事先對蝙蝠耳朵進(jìn)行簡單的化妝，以改善成像質(zhì)量。
　　2.動態(tài)三維模型重建。對兩臺高速攝像機獲取的左右圖像序列進(jìn)行立體匹配，得到原始的蝙蝠耳朵三維模型;再基于分簇的方法對原始模型進(jìn)行后處理，消除噪聲及異常點;最后利用基于光流的幾何追蹤方法對蝙蝠耳朵非剛性形變的過程建立動態(tài)三維點云模型。
　　3.數(shù)據(jù)分析。得到動態(tài)三維點云模型后，我們計算了對應(yīng)點的速度、加

6、速度等物理量，并得到了對應(yīng)點在形變中的運動軌跡。
　　在對蝙蝠耳朵進(jìn)行特殊處理之后，利用高速攝像機我們能夠捕捉到蝙蝠耳朵快速的非剛性形變數(shù)據(jù)。通過我們使用的一系列方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，能夠得到稠密的、精確地蝙蝠耳朵非剛性形變的動態(tài)三維模型。通過幾何追蹤建立不同時刻點的一一對應(yīng)關(guān)系初步分析了形變過程中蝙蝠耳朵不同部位的速度、加速度和軌跡等物理量，與相關(guān)結(jié)論比較，數(shù)值非常吻合。因此，我們的方法得到的動態(tài)三維模型為進(jìn)一步分析聲音信號的工