虛擬現(xiàn)實中若干圖像關鍵技術研究.pdf

1、飛行模擬器是航空工業(yè)的必要裝備，是飛行員訓練、考核的基本地面訓練設備。與傳統(tǒng)模擬機相比，基于虛擬現(xiàn)實的輕型飛行模擬器體積小巧，價格低廉，具有巨大的應用潛力。本文圍繞“輕型飛行模擬器原型系統(tǒng)”課題，為進一步完善輕型飛行模擬器系統(tǒng)以滿足高端需要，對虛擬現(xiàn)實中，特別是虛擬視景構建和虛擬環(huán)境交互操作中的圖像關鍵技術進行了研究。論文的主要研究內容包括： (1)不同于傳統(tǒng)模擬機，輕型飛行模擬器采用頭盔式視景顯示設備，艙內視景也需要由計算機

2、生成，同時戴上頭盔后飛行員無法看到艙內實景，造成交互操作困難。根據(jù)飛行模擬器視景特點和交互要求，設計了輕型飛行模擬器虛擬現(xiàn)實環(huán)境系統(tǒng)的體系結構。其中，采用傳統(tǒng)幾何建模方法生成艙內視景，便于實現(xiàn)交互；利用基于圖像繪制技術構建艙外視景，提高真實感。并提出半虛擬現(xiàn)實座艙方案進一步完善虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)手部人機交互性能。 (2)圖像特征信息提取是虛擬現(xiàn)實環(huán)境構建過程中涉及的基本和重要的圖像處理技術。通過對圖像邊緣特性的分析，本文選擇邊緣信息

3、進行特征提取，以減少冗余，提高圖像處理技術的實時性和魯棒性。傳統(tǒng)微分算法對噪聲敏感，對此提出一種基于方向信息抗干擾性邊緣檢測算法，并通過實驗證明該算法在定位精度和抗噪性方面優(yōu)于傳統(tǒng)方法。同時對邊緣中常用的直線特征，針對Hough變換只能精確到像素級的不足，提出一種基于Hough變換直線檢測改進算法，在保持較高抗噪性的同時，提高檢測精度，為后續(xù)得到更加準確和魯棒的圖像處理結果提供基礎。 (3)攝像機標定結果對艙外視景構建和手部交

4、互定位都有指導意義。本文通過對現(xiàn)有攝像機標定技術進行歸納總結，在傳統(tǒng)標定方法基礎上提出了兩種攝像機標定新方法。其中，基于消隱點的攝像機標定改進方法只利用2個方向消隱點確定攝像機內參數(shù)和方位，提高了利用消隱點進行標定的實用性；基于矩形的標定方法由矩形的四個頂點的像構造無窮遠平面上絕對二次曲線的像ω的約束方程標定攝像機內參數(shù)。兩種標定方法完全擺脫了三維空間點與二維圖像點的匹配，簡化了標定過程，同時無需進行特征匹配計算圖像和空間平面間的單應矩

5、陣，直接利用消隱點和矩形頂點就可確切的求出旋轉矩陣和平移量，不會丟失攝像機外參數(shù)，可以準確定位攝像機，對手指定位具有重要意義。模擬和真實圖像實驗結果證明了兩種標定方法的正確性和可行性。 (4)艙外全景圖構建過程中，圖像拼接是關鍵技術之一。圖像拼接的主要問題是確定相鄰圖像間的對應關系，即圖像匹配?？紤]Hausdorff距離易于計算，容錯率高，采用修正后的Hausdorff距離構造相似性測度，提出了一種基于方向信息的魯棒型Haus

6、dorff距離的匹配方法。實驗表明，該方法加快了匹配過程，提高了抗噪性能，并能夠準確匹配含有遮擋和偽邊緣點的圖像，從而解決了基于傳統(tǒng)Hausdorff距離匹配方法因噪聲點、偽邊緣點和出格點而造成的誤匹配問題。 (5)現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實交互設備價格昂貴，而且無法提供逼真的觸覺等豐富感知。為實現(xiàn)自然的人機交互方式，提出半虛擬現(xiàn)實座艙方案，設計了基于攝像機標定原理的戒指式視頻測量手指定位技術和基于計算機視覺的虛擬現(xiàn)實手指定位技術兩種技術方