虛擬現(xiàn)實(shí)中若干圖像關(guān)鍵技術(shù)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(xùn)練、考核的基本地面訓(xùn)練設(shè)備。與傳統(tǒng)模擬機(jī)相比，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的輕型飛行模擬器體積小巧，價(jià)格低廉，具有巨大的應(yīng)用潛力。本文圍繞“輕型飛行模擬器原型系統(tǒng)”課題，為進(jìn)一步完善輕型飛行模擬器系統(tǒng)以滿足高端需要，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)中，特別是虛擬視景構(gòu)建和虛擬環(huán)境交互操作中的圖像關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。論文的主要研究?jī)?nèi)容包括： (1)不同于傳統(tǒng)模擬機(jī)，輕型飛行模擬器采用頭盔式視景顯示設(shè)備，艙內(nèi)視景也需要由計(jì)算機(jī)

2、生成，同時(shí)戴上頭盔后飛行員無法看到艙內(nèi)實(shí)景，造成交互操作困難。根據(jù)飛行模擬器視景特點(diǎn)和交互要求，設(shè)計(jì)了輕型飛行模擬器虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。其中，采用傳統(tǒng)幾何建模方法生成艙內(nèi)視景，便于實(shí)現(xiàn)交互；利用基于圖像繪制技術(shù)構(gòu)建艙外視景，提高真實(shí)感。并提出半虛擬現(xiàn)實(shí)座艙方案進(jìn)一步完善虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)手部人機(jī)交互性能。 (2)圖像特征信息提取是虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境構(gòu)建過程中涉及的基本和重要的圖像處理技術(shù)。通過對(duì)圖像邊緣特性的分析，本文選擇邊緣信息

3、進(jìn)行特征提取，以減少冗余，提高圖像處理技術(shù)的實(shí)時(shí)性和魯棒性。傳統(tǒng)微分算法對(duì)噪聲敏感，對(duì)此提出一種基于方向信息抗干擾性邊緣檢測(cè)算法，并通過實(shí)驗(yàn)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(shí)對(duì)邊緣中常用的直線特征，針對(duì)Hough變換只能精確到像素級(jí)的不足，提出一種基于Hough變換直線檢測(cè)改進(jìn)算法，在保持較高抗噪性的同時(shí)，提高檢測(cè)精度，為后續(xù)得到更加準(zhǔn)確和魯棒的圖像處理結(jié)果提供基礎(chǔ)。 (3)攝像機(jī)標(biāo)定結(jié)果對(duì)艙外視景構(gòu)建和手部交

4、互定位都有指導(dǎo)意義。本文通過對(duì)現(xiàn)有攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，在傳統(tǒng)標(biāo)定方法基礎(chǔ)上提出了兩種攝像機(jī)標(biāo)定新方法。其中，基于消隱點(diǎn)的攝像機(jī)標(biāo)定改進(jìn)方法只利用2個(gè)方向消隱點(diǎn)確定攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)和方位，提高了利用消隱點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定的實(shí)用性；基于矩形的標(biāo)定方法由矩形的四個(gè)頂點(diǎn)的像構(gòu)造無窮遠(yuǎn)平面上絕對(duì)二次曲線的像ω的約束方程標(biāo)定攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)。兩種標(biāo)定方法完全擺脫了三維空間點(diǎn)與二維圖像點(diǎn)的匹配，簡(jiǎn)化了標(biāo)定過程，同時(shí)無需進(jìn)行特征匹配計(jì)算圖像和空間平面間的單應(yīng)矩

5、陣，直接利用消隱點(diǎn)和矩形頂點(diǎn)就可確切的求出旋轉(zhuǎn)矩陣和平移量，不會(huì)丟失攝像機(jī)外參數(shù)，可以準(zhǔn)確定位攝像機(jī)，對(duì)手指定位具有重要意義。模擬和真實(shí)圖像實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了兩種標(biāo)定方法的正確性和可行性。 (4)艙外全景圖構(gòu)建過程中，圖像拼接是關(guān)鍵技術(shù)之一。圖像拼接的主要問題是確定相鄰圖像間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即圖像匹配?？紤]Hausdorff距離易于計(jì)算，容錯(cuò)率高，采用修正后的Hausdorff距離構(gòu)造相似性測(cè)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(shí)驗(yàn)表明，該方法加快了匹配過程，提高了抗噪性能，并能夠準(zhǔn)確匹配含有遮擋和偽邊緣點(diǎn)的圖像，從而解決了基于傳統(tǒng)Hausdorff距離匹配方法因噪聲點(diǎn)、偽邊緣點(diǎn)和出格點(diǎn)而造成的誤匹配問題。 (5)現(xiàn)有虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備價(jià)格昂貴，而且無法提供逼真的觸覺等豐富感知。為實(shí)現(xiàn)自然的人機(jī)交互方式，提出半虛擬現(xiàn)實(shí)座艙方案，設(shè)計(jì)了基于攝像機(jī)標(biāo)定原理的戒指式視頻測(cè)量手指定位技術(shù)和基于計(jì)算機(jī)視覺的虛擬現(xiàn)實(shí)手指定位技術(shù)兩種技術(shù)方