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基于数字图像的二次定标空间定位及其误差分析

基于数字图像的二次定标空间定位及其误差分析

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作者：王德麾四川大学

学位级别：硕士

在地质勘探、水利建设、矿山开发、城市规划及大型设备制造等工程实践中，经常需要对远距离、大尺寸的对像进行测量。测量尺寸首先要对目标点的空间位置进行定位。目前常用的空间定位方法有卫星定位、激光测距定位、水准仪、基于数字图... 详细信息

在地质勘探、水利建设、矿山开发、城市规划及大型设备制造等工程实践中，经常需要对远距离、大尺寸的对像进行测量。测量尺寸首先要对目标点的空间位置进行定位。目前常用的空间定位方法有卫星定位、激光测距定位、水准仪、基于数字图像测量系统等方法。卫星定位系统已经具备了较高的定位精度，且定位速度快，但系统建设成本高，需要信号发射源;激光测距定位系统能达到毫米级的测量精度，但有测量盲区，远距离定位时需要设置目标反射境，且测量系统较为复杂;水准仪定位设备简单，但测量精度较低，操作较复杂，效率低。随着计算机技术和数字图像技术的迅速发展，使用普通数码相机(摄像机)或图像采集设备实现空间目标点的定位成为了可能。基于数字图像的空间定位首先需要对图像采集设备进行定标。目前，基于数字图像的空间定标方法有两大类：即基于定标物的定标和无需定标物的摄像机自定标。基于定标物的定标方法主要以基于点的定标法为代表;摄像机自定标法主要有基于灭点的定标法、基于摄像机旋转的定标法以及摄像机平移自定标法。基于定标物的定标法不需要解非线性方程，但必须设置定标物，且需要已知定标点精确的空间坐标;基于摄像机旋转和灭点的定标法只需要物体表面有一定数量的特征点或者几组平行线，且无需知道其具体的空间位置，便可以确定摄像机参数及目标点的空间位置，但对表面特征信息不丰富的物体，很难满足此要求;摄像机平移自定标法，需要摄像机在空间进行复杂的运动，以确定相机参数，因而系统较为复杂。论文在分析定标物定标法和摄像机自定标法的原理和优缺点基础上，结合两者的优点，提出了一种基于数字图片的二次定标空间定位方法。首先设置具有特征点的标准定标参照物，利用基于点的定标原理，求解摄像机的内外参数矩阵;然后调整焦距，使远距离的目标物体清晰成像，采集目标物体上特征点的图像;然后平行移动摄像机(移动距离已知)，在新的位置再次采集目标物体上特征点的图像;通过特征点在前后两图像上的位置，求解出其在世界坐标系下的坐标值，实现空间目标点的定位。为了分析基于数字图片二次定标空间定位方法的定位精度，应用MATLAB软件，分析了标准定标参照物特征点的位置误差、摄像机内外参数矩阵误差、摄像机位移误差、像素取整误差等因素对定位精度的影响及误差变化规律。最后论文给出了基于数字图片二次定标空间定位方法的简单的实验模型。基于数字图片的二次定标空间定位方法克服了卫星定位系统、激光测距定位系统及水准仪等定位方法在远距离、大尺寸测量定位中的不足。与现有的基于数字图像的定标方法相比，基于数字图片的二次定标空间定位方法能够同时完成定标和定位任务，避免了在远处或恶劣环境下设置定标物，对被测物体的纹理特征及几何特征无特殊要求，简化了测量系统，具有重要的理论价值和实用价值。

关键词：数字图像空间定位计算机视觉二次定标误差分析

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基于近红外光源的非接触式视线跟踪技术研究

基于近红外光源的非接触式视线跟踪技术研究

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作者：杨彩霞山东大学

学位级别：硕士

视线跟踪技术是近年来在多媒体以及人机交互领域内的热门研究课题,它可以通过捕获人眼的运动轨迹来获取人眼的视线方向或注视点的位置。由于其直接性、灵活性和自然性等特点,在计算机控制、密码输入、广告测评、医学诊断及虚拟现实等领... 详细信息

视线跟踪技术是近年来在多媒体以及人机交互领域内的热门研究课题,它可以通过捕获人眼的运动轨迹来获取人眼的视线方向或注视点的位置。由于其直接性、灵活性和自然性等特点,在计算机控制、密码输入、广告测评、医学诊断及虚拟现实等领域具有广泛的应用前景。然而,尽管视线跟踪技术的应用存在着诱人的前景并且近年来也取得了较快的发展,但由于各方面技术的不成熟、人眼运动本身的特性以及过高的成本,使得目前的视线跟踪技术尚不能广泛应用于实际生产,仍然有许多问题需要解决：进一步提高视线跟踪系统的精度及鲁棒性;提高系统的自由度,降低对用户头动的限制以及定标过程的复杂度;降低算法的复杂度以保证系统的实时性;降低系统的成本。针对上述问题,本文以基于近红外光源的非接触式视线跟踪系统为研究平台,分别对图像预处理、注视点估计以及系统定标等环节进行了深入研究并提出自己新的思想和算法,以便进一步提高现有视线跟踪系统的精度、自由度,降低系统的成本,推动视线跟踪系统实用化的进程。论文的主要创新性研究如下： 1、提出基于灰度差的视线跟踪预处理方法,利用人脸、角膜反射点以及瞳孔之间的灰度差来定位人眼,并针对瞳孔及反射点本身在形状、面积、空间位置上的特点,通过腐蚀膨胀、桥接、筛选等图像处理手段消除眼镜、配饰等外界干扰因素对人眼定位的影响,以进一步提高视线跟踪系统的精度及鲁棒性。 2、将超分辨技术应用于视线跟踪系统,对拍摄图像的局部区域,如提取出的大致瞳孔区域,使用超分辨技术,获得具有较高分辨率的图像,以便更为精确地提取人眼特征参数,进而提高视线估计结果的精度。 3、提出一种基于空间相似三角形的双光源注视点估计算法,利用人眼图像中瞳孔中心与两反射点构成的三角形和屏幕上注视点及两个红外光源构成的三角形为近似相似三角形来确定屏幕上注视点的大致位置。 4、在上述基于空间相似三角形的双光源视线估计算法的基础上,对算法中产生的误差进行在三维空间中的定量分析,并得出误差的区域特性,为系统的标定和进一步提高视线估计结果的精度提供理论依据。 5、提出基于二次定标的视线跟踪系统标定方法,根据估计误差的区域特性,屏幕被分为五个区域并将定标点分两次使用,不同区域的注视点利用不同定标点来定标,得到较为精确的注视点估计结果。 6、根据误差产生的原理,通过利用人眼在三维空间中的位置关系,对注视点估计的结果进行较为精确地误差补偿,进一步提高视线跟踪系统的精度及自由度。 7、提出一些视线跟踪技术的潜在应用,进一步扩展视线跟踪技术的应用范围。

关键词：视线跟踪灰度差超分辨相似三角形二次定标

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