基于圓形目標(biāo)成像分析的人體頭部姿態(tài)信息測(cè)量研究.pdf

1、頭部姿態(tài)信息測(cè)量是機(jī)器視覺與模式識(shí)別領(lǐng)域中的重要研究課題，其主要研究目的是測(cè)量頭部在三維空間中的姿態(tài)信息參數(shù)。現(xiàn)有的頭部姿態(tài)信息測(cè)量技術(shù)多存在設(shè)備復(fù)雜和計(jì)算量大等缺點(diǎn)。本文基于光電信息測(cè)量原理，提出了一種基于單目視覺測(cè)量與幾何目標(biāo)相結(jié)合的動(dòng)態(tài)頭部姿態(tài)信息測(cè)量新方法。通過對(duì)固定于人體頭部的幾何目標(biāo)進(jìn)行光學(xué)成像分析，獲得幾何目標(biāo)成像與姿態(tài)角度之間的關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人體頭部姿態(tài)信息的計(jì)算。本文提出并設(shè)計(jì)的頭部姿態(tài)信息測(cè)量系統(tǒng)通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量驗(yàn)證達(dá)到

2、了預(yù)期效果。本文研究為使頭部姿態(tài)信息測(cè)量更加簡(jiǎn)單實(shí)用提供了一種新的有效途徑。全文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新性工作如下:
　　(1)提出了基于圓形目標(biāo)成像分析的人體頭部姿態(tài)信息測(cè)量方法。通過對(duì)現(xiàn)有頭部姿態(tài)信息測(cè)量技術(shù)的分析，提出了基于單目視覺測(cè)量與幾何目標(biāo)相結(jié)合的頭部姿態(tài)信息測(cè)量技術(shù)。研究了球形和圓形兩種幾何目標(biāo)在頭部姿態(tài)信息測(cè)量中的優(yōu)缺點(diǎn)，并選擇圓形作為頭部姿態(tài)信息測(cè)量的附加幾何目標(biāo)。對(duì)圓形目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法及安裝方式進(jìn)行了研究。通過分析運(yùn)

3、動(dòng)過程中圓形目標(biāo)及標(biāo)注其上的兩條直徑在攝像機(jī)成像平面的成像變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體頭部姿態(tài)信息的測(cè)量。
　　(2)提出了一種基于光學(xué)成像分析的圓形目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算方法。基于攝像機(jī)光學(xué)成像原理，分析了當(dāng)圓形目標(biāo)與攝像機(jī)處于不同相對(duì)姿態(tài)時(shí)圓形目標(biāo)的成像。并在此基礎(chǔ)上，分別分析了當(dāng)人體頭部做簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)時(shí)標(biāo)注于圓形目標(biāo)上兩條直徑的成像變化情況。并通過幾何推導(dǎo)給出了簡(jiǎn)單情況和復(fù)雜情況下圓形目標(biāo)俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和偏航角的計(jì)算方法。
　　(

4、3)提出了一種基于直徑成像分析的圓形目標(biāo)姿態(tài)二義性消除方法。從圓形目標(biāo)圖像中提取兩條直徑所成的像，通過分析直徑所成像的斜率以及半徑所成像的長(zhǎng)度，判斷圓形目標(biāo)相對(duì)于初始位置的運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)確定圓形目標(biāo)姿態(tài)，可以消除在計(jì)算圓形目標(biāo)姿態(tài)時(shí)通常出現(xiàn)的姿態(tài)二義性現(xiàn)象。
　　(4)提出了一種普通光學(xué)成像條件下圓形目標(biāo)圖像的處理方法。在普通光學(xué)成像條件下，頭部姿態(tài)信息測(cè)量系統(tǒng)所采集的圓形目標(biāo)圖像多屬于弱成像質(zhì)量圖像。提出了小波降噪、灰度變換

5、、直方圖處理及圖像二值化等弱成像質(zhì)量圖像處理的步驟。采用該方法，圓形目標(biāo)圖像質(zhì)量得到提高，并且獲得了圓形目標(biāo)的二值圖像。
　　(5)研究了基于圓形目標(biāo)成像分析的人體頭部姿態(tài)信息測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了頭部姿態(tài)信息測(cè)量的軟件系統(tǒng)。提出了基于圓形目標(biāo)直徑的頭部初始位置判定方法，并提出基于斜率的兩條直徑區(qū)分方法。對(duì)本文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過模擬實(shí)驗(yàn)和人體頭部實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可行性。本項(xiàng)研究具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值。