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增强现实系统中注册方法的研究与实现

作　者: 范利君
导　师: 童小念
学　校: 中南民族大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 三维注册增强现实摄像机标定单应性矩阵光流特征匹配
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

增强现实中的注册技术通过对现实世界补充或添加虚拟物体和相关信息，使观察者从感官上认为虚拟物体是周围现实世界的组成部分。注册技术是增强现实系统中至关重要的技术之一，对增强现实系统的实现具有重要意义。传统的视觉注册技术适用于相对简单的真实环境，如摄像机相对于物体静止的情况下，而一旦真实场景复杂或摄像机相对物体移动迅速，则注册算法的计算量大幅度增加，且注册效果明显变差，甚至在有部分物体被遮挡的情况下导致注册失败。本文采用基于标识的视觉原理实现传统的视觉注册技术，在算法实现过程中对三维矩阵参数方程进行优化处理，使得只需4个标志点即可完成注册矩阵的求解。同时，为了解决部分遮挡的情况下注册失败的不稳定性问题，本文采用了单应性矩阵改进三维注册矩阵参数的计算，旨在使标识被部分遮挡时能通过相邻帧图像辅助计算矩阵参数，具体方法是当标识完全可见时，由传统视觉算法完成三维注册矩阵参数的计算；若标识非完全可见，则由相邻两帧图像间互相匹配的四对或四对以上非共线特征点的几何关系与奇异值的分解，来计算迭代过程中的单应性矩阵。据此，将单应性矩阵分解为三维注册矩阵的未知参数，计算出虚拟注册所需的注册矩阵，以实现在标识非完全可见时的跟踪注册。本文的特征点匹配采用了光流特征匹配算法，旨在识别真实场景中特殊标识的非共线特征点对，完成相邻图像间特征点对的匹配跟踪，获取计算单应性矩阵和注册矩阵所需的几何信息，最终将虚拟物体精确地叠加到真实场景。本文的创新点在于引入了单应性矩阵来恢复多幅图像间的对应关系，改进了在标识被部分遮挡情况下的三维注册矩阵求解问题，同时将Hessian矩阵的光流匹配算法应用在注册技术的标识识别部分，使注册的稳定性得到了提高。实验结果表明，本文所采用的单应性矩阵方法和光流特征跟踪技术，扩展了视觉注册技术的应用范围，能够确保虚拟物体注册到真实场景中，提高了系统运行的稳定性，解决了标识被遮挡情况下不能正确注册的问题。本文的三维注册方法在摄像机与物体相对快速移动和标识被部分遮挡的情况下体现了其有效性，对于移动增强现实环境下虚拟物体的三维动态注册具有一定的实用意义。

全文目录

摘要  7-8
Abstract  8-10
第1章绪论  10-18
  1.1 课题研究的目的与意义  10-11
  1.2 AR 技术国内外的研究现状  11-13
  1.3 增强现实系统中的关键技术  13-16
    1.3.1 显示技术  13-15
    1.3.2 跟踪注册技术  15
    1.3.3 交互与可视化技术  15-16
  1.4 论文的主要工作和组织结构  16-18
第2章增强现实系统中注册技术  18-24
  2.1 三维注册方法的研究现状与分析  18-22
  2.2 基于视觉的注册技术研究  22-23
  2.3 本章小结  23-24
第3章基于视觉三维注册方法的研究与实现  24-33
  3.1 坐标系的定义  24-25
  3.2 坐标系的转换  25-27
  3.3 基于视觉三维注册的算法推导  27-31
  3.4 实验结果及分析  31-33
第4章基于视觉三维注册方法的改进  33-46
  4.1 ARtoolkit 视觉原理  33-35
  4.2 摄像机参数与透视投影  35-37
  4.3 单应性矩阵辅助计算  37-39
  4.4 仿射变换与仿射重投影  39-41
  4.5 L-K 光流特征匹配算法  41-44
    4.5.1 光流的梯度方法和基本方程  41-42
    4.5.2 L-K 光流算法实现步骤  42-44
  4.6 实验结果与分析  44-46
第5章总结与展望  46-48
  5.1 论文主要工作的总结  46
  5.2 增强现实系统技术未来发展展望  46-48
参考文献  48-52
致谢  52-53
附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  53

增强现实系统中注册方法的研究与实现

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