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光场三维成像性能优化技术研究

王振昊  
【摘要】:光场三维成像系统能够获得高质量、高分辨率的彩色动态光场三维显示,且可以实现复杂的纹理和光照阴影,因此,当前针对光场三维成像技术的研究已越来越广泛。当今世界范围内支持多角度图形渲染的虚拟光场传感器和实际光场传感器技术日臻成熟,显示器分辨率越来越高,并且各种光调制器的调制率也逐渐提升,同时计算机图形图像技术的迅猛发展,使得通过几何光学定向屏幕和投影技术重建的定向光场的光场三维成像逐渐完善。近年来,光场三维成像的准确性和交互能力也在不断提升,而且在光场三维成像系统中也在增加手势识别、人脸检测和其他计算机视觉等功能。随着虚拟现实和增强现实技术的日益普及,光场三维成像技术与人机交互技术的逐渐融合,不仅能够增加体验者真实的感官体验,还可以为高质量和低成本的虚拟现实和增强现实提供可行性的人机交互方案。迄今为止,光场三维成像的主要工作是通过硬件调节实现从采集端到显示端的实时更新和三维物体的动态处理。这主要包括硬件处理算法和图形处理器的并行操作等。目前,虽然核心图形和图像投影组件价格越来越低廉,但处理能力却并没有随着价格的优势而显著提升,具有更高级功能的图形处理芯片虽然已经存在,但是新产品的价格却依然不菲。光场三维成像技术主要分为光场三维采集、光场三维重构、光场三维显示三个部分,本文以提高光场三维成像的效率,降低成本,以及提高系统精确度,减少误差为目标,围绕光场三维成像中的光场三维采集、光场三维重构和光场三维显示三个部分的相关技术展开研究,主要创新性研究工作内容如下:(1)针对光场三维采集技术中的三维配准关键技术,提出迭代最近点算法的优化方法。目前的迭代最近点算法常常伴随着不精确的旋转矩阵和平移向量的初始值,使得迭代次数增加,耗费时间过长,而且不能应用于面向多对象场景中。为解决此问题本文提出一种能够精确获得初始值且可应用在面向多对象的快速三维配准方法。首先通过直通滤波和局部表面拟合法向量估计算法使得零散的点云数据整合为一组组完整的点云数据,其中的空间特征包括几何特征和纹理特征。其次,应用点云分割和三维质心计算分别获得场景中的规则物体的点云数据和各自的质心,例如,场景中的杯子、书桌等。第三,使用奇异值分解算法分别获得每个点云模型的旋转矩阵。最后,结合三维质心算法和旋转矩阵计算出每个点云模型各自的平移向量。实验结果表明与现有的迭代最近点算法相比,本文提出的方法能够减少迭代次数,提高系统工作效率,解决了面向多对象场景的三维配准时出现的初始值不准确的问题。与此同时,面向单对象场景的三维点云的配准效率与现有的方法相比提高了约5%。(2)针对光场三维重构技术,提出高效的三维物体识别方法。高效的物体识别在光场三维重构中扮演着重要的角色,特别是在当今光场三维成像这个领域中与光场三维图像采集传感器的结合应用更加是一种崭新的尝试。因此,为实现高效的光场三维重构中的物体识别,本文提出一种基于蒙特卡洛随机采样的三维物体识别方法,实现了光场三维重构中的高效三维物体识别。所提出的方法主要包括法向量估计、均匀关键点采样、蒙特卡洛随机采样、方向直方图特征提取、K维树(KD-tree)索引匹配以及三维霍夫变换等步骤,提出的方法仅仅通过单线程的中央处理器(CPU)就可以实现,这样在三维重构阶段就可以释放大量的图形处理单元(GPU),最终提高光场三维重构的效率。实验结果表明,与传统的方法相比,本文提出的方法在相同的84.67%的正确识别率下,识别效率平均提高了9.26%,进一步改善了三维重构中三维物体识别的性能,加快识别进程,并且为后续的光场三维显示的预处理提供有效的实现方案。(3)针对光场三维显示技术,提出鲁棒性姿态估计的优化方法。目前在光场三维显示中还存在需要大量的硬件资源和手工调节参数才能实现三维物体的姿态估计和显示,为解决这一问题,本文从算法的角度出发,提出了利用H范数(H_∞)优化控制光场三维显示姿态估计的方法。提出的方法分为三个部分:首先,采集刚性物体的法向量,并进行主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)法向量估计。其次,计算哈代空间的法向量估计结果的H范数,也就是其复数平面的右半平面的有理函数矩阵的最大奇异值。最后,使用H范数的优化结果进行姿态估计和变换。基于虚拟和真实的三个国际标准数据库(Kinect,Mian和Clutter)进行实验的结果表明,本文提出的方法能实现高质量、高效率、低成本的三维刚性物体在光场三维显示中的鲁棒性的姿态估计和显示,而且精确度高,耗时少。总之,本文针对光场三维成像技术中的效率提升、性能提高、成本降低、精度提高、优化设计的问题进行了深入研究。所提出的新算法分别在三维配准的准确性和速度、三维物体的识别效率,以及三维刚性物体姿态估计的准确率和鲁棒性等方面较现有方法均具有一定的改善和提高,为进一步研究光场三维成像中采集前场景的先验知识和反向推演重构解码的结合、高分辨率和高维度空间信息图像的获取,以及三维物体顶点位置坐标和着色器加载等方法提供了研究成果和参考。


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