基于圓形目標成像分析的人體頭部姿態(tài)信息測量研究.pdf

1、頭部姿態(tài)信息測量是機器視覺與模式識別領(lǐng)域中的重要研究課題，其主要研究目的是測量頭部在三維空間中的姿態(tài)信息參數(shù)?，F(xiàn)有的頭部姿態(tài)信息測量技術(shù)多存在設(shè)備復(fù)雜和計算量大等缺點。本文基于光電信息測量原理，提出了一種基于單目視覺測量與幾何目標相結(jié)合的動態(tài)頭部姿態(tài)信息測量新方法。通過對固定于人體頭部的幾何目標進行光學(xué)成像分析，獲得幾何目標成像與姿態(tài)角度之間的關(guān)系，進而實現(xiàn)人體頭部姿態(tài)信息的計算。本文提出并設(shè)計的頭部姿態(tài)信息測量系統(tǒng)通過實驗測量驗證達到

2、了預(yù)期效果。本文研究為使頭部姿態(tài)信息測量更加簡單實用提供了一種新的有效途徑。全文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新性工作如下:
　　(1)提出了基于圓形目標成像分析的人體頭部姿態(tài)信息測量方法。通過對現(xiàn)有頭部姿態(tài)信息測量技術(shù)的分析，提出了基于單目視覺測量與幾何目標相結(jié)合的頭部姿態(tài)信息測量技術(shù)。研究了球形和圓形兩種幾何目標在頭部姿態(tài)信息測量中的優(yōu)缺點，并選擇圓形作為頭部姿態(tài)信息測量的附加幾何目標。對圓形目標的設(shè)計方法及安裝方式進行了研究。通過分析運

3、動過程中圓形目標及標注其上的兩條直徑在攝像機成像平面的成像變化，實現(xiàn)對人體頭部姿態(tài)信息的測量。
　　(2)提出了一種基于光學(xué)成像分析的圓形目標旋轉(zhuǎn)角度計算方法。基于攝像機光學(xué)成像原理，分析了當圓形目標與攝像機處于不同相對姿態(tài)時圓形目標的成像。并在此基礎(chǔ)上，分別分析了當人體頭部做簡單運動和復(fù)雜運動時標注于圓形目標上兩條直徑的成像變化情況。并通過幾何推導(dǎo)給出了簡單情況和復(fù)雜情況下圓形目標俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和偏航角的計算方法。
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4、3)提出了一種基于直徑成像分析的圓形目標姿態(tài)二義性消除方法。從圓形目標圖像中提取兩條直徑所成的像，通過分析直徑所成像的斜率以及半徑所成像的長度，判斷圓形目標相對于初始位置的運動方向，進而實現(xiàn)確定圓形目標姿態(tài)，可以消除在計算圓形目標姿態(tài)時通常出現(xiàn)的姿態(tài)二義性現(xiàn)象。
　　(4)提出了一種普通光學(xué)成像條件下圓形目標圖像的處理方法。在普通光學(xué)成像條件下，頭部姿態(tài)信息測量系統(tǒng)所采集的圓形目標圖像多屬于弱成像質(zhì)量圖像。提出了小波降噪、灰度變換

5、、直方圖處理及圖像二值化等弱成像質(zhì)量圖像處理的步驟。采用該方法，圓形目標圖像質(zhì)量得到提高，并且獲得了圓形目標的二值圖像。
　　(5)研究了基于圓形目標成像分析的人體頭部姿態(tài)信息測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了頭部姿態(tài)信息測量的軟件系統(tǒng)。提出了基于圓形目標直徑的頭部初始位置判定方法，并提出基于斜率的兩條直徑區(qū)分方法。對本文中設(shè)計的系統(tǒng)進行了實驗研究，通過模擬實驗和人體頭部實驗，驗證了本系統(tǒng)的可行性。本項研究具有重要的理論和實用價值。