基于立體視覺(jué)的蝙蝠耳朵形變的三維重建.pdf

1、隨著人類社會(huì)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(wèn)題越來(lái)越多，對(duì)于一些擁有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和自身工作機(jī)制的生物而言，在他們漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中大量類似于人類工程領(lǐng)域的問(wèn)題已經(jīng)得以解決，這些問(wèn)題的解決能夠給予我們很大的啟示。因此仿生學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，對(duì)于在地球上存在了千百萬(wàn)年，且擁有獨(dú)特的生理結(jié)構(gòu)和其獨(dú)有的適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的自身機(jī)制的生物的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)。仿生學(xué)的研究，不僅能夠讓我們了解動(dòng)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(jī)制，而且

2、可以根據(jù)生物生存的物理機(jī)制來(lái)幫助人類解決工程技術(shù)上的諸多難題。
　　其中，科學(xué)家對(duì)蝙蝠的認(rèn)識(shí)和研究已經(jīng)經(jīng)歷了很長(zhǎng)的時(shí)間。在眾多的哺乳動(dòng)物中，蝙蝠是擁有真正飛行能力的唯一物種，它們?cè)诤诎淡h(huán)境中的生存能力和適應(yīng)能力非常強(qiáng)。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(jué)系統(tǒng)來(lái)維持生命活動(dòng)，而是通過(guò)從口腔和鼻發(fā)出超聲波，這些超聲波遇到障礙物后會(huì)反射回來(lái)，蝙蝠的耳朵接收這些反射回來(lái)的超聲波信號(hào)并根據(jù)這些信號(hào)來(lái)識(shí)別物

3、體，從而完成生命活動(dòng)的各種任務(wù)。蝙蝠能夠依靠聲音信號(hào)來(lái)識(shí)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(guò)研究蝙蝠回聲定位的工作原理，我們可以掌握它的物理機(jī)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(duì)蝙蝠耳朵的三維模型的研究較少且精度不高。
　　我們通過(guò)對(duì)蝙蝠耳朵非剛性形變的過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)的三維重建，給蝙蝠耳朵在接收超聲信號(hào)上的工作機(jī)制研究提供依據(jù)。本文我們主要利用立體視覺(jué)的技術(shù)來(lái)得到蝙蝠耳朵形變的三維模型，并對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的處理，得到稠密、精確的模型，通過(guò)幾何追蹤建立動(dòng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取。利用兩臺(tái)高速攝像機(jī)，捕獲蝙蝠耳朵非剛性形變的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。事先對(duì)蝙蝠耳朵進(jìn)行簡(jiǎn)單的化妝，以改善成像質(zhì)量。
　　2.動(dòng)態(tài)三維模型重建。對(duì)兩臺(tái)高速攝像機(jī)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(duì)原始模型進(jìn)行后處理，消除噪聲及異常點(diǎn);最后利用基于光流的幾何追蹤方法對(duì)蝙蝠耳朵非剛性形變的過(guò)程建立動(dòng)態(tài)三維點(diǎn)云模型。
　　3.數(shù)據(jù)分析。得到動(dòng)態(tài)三維點(diǎn)云模型后，我們計(jì)算了對(duì)應(yīng)點(diǎn)的速度、加

6、速度等物理量，并得到了對(duì)應(yīng)點(diǎn)在形變中的運(yùn)動(dòng)軌跡。
　　在對(duì)蝙蝠耳朵進(jìn)行特殊處理之后，利用高速攝像機(jī)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(guò)我們使用的一系列方法對(duì)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(dòng)態(tài)三維模型。通過(guò)幾何追蹤建立不同時(shí)刻點(diǎn)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系初步分析了形變過(guò)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(dòng)態(tài)三維模型為進(jìn)一步分析聲音信號(hào)的工