基于双目视觉的物体表面三维复杂运动重建及其应用

【摘要】物体表面受到外力及温度变化作用下会产生复杂的三维运动,这种自然界中常见的现象吸引着众多领域的科学家。定量分析物体表面的运动,在计算机科学、材料科学、实验力学等诸多学科中有着重要的意义和广泛的应用。而其中最关键的一步就是获取准确的物体表面三维运动信息。随着计算机科学的不断发展,通过视频摄像机和计算机视觉技术来重建物体表面的三维运动已逐渐成为可能。物体表面的三维运动可以用一系列缜密采样点的三维运动轨迹来描述。根据视频摄像机在不同视角同步拍摄的图像序列,匹配采样点在各时刻各视角中的对应位置,便可以运用三维重建技术来计算采样点的三维运动。然而,从不同视角图像序列中匹配采样点的对应位置是一项极具挑战性的任务。主要的难点是：采样点周围局部图像的位置、形状和亮度,会因为视角的改变、物体表面的复杂运动、光照角度变化、运动导致的自遮挡等因素,而发生剧烈的变化。为了解决这些困难,本论文提出了两种准确、稳定且自动化的方法,用来匹配不同图像问的缜密对应关系。本文提出的基于特征点匹配的渐进重建方法,利用了特征点的检测和描述对于常见图像变换的不敏感性,并运用时域约束和跨视角约束大大提高图像之间特征点匹配的成功率和可靠性,从而得到物体表面运动前的参考图和其他各图像之间的稀疏对应关系,然后根据匹配特征点在采样点局部拟合几何变换来初始估计其对应关系,最后通过迭代优化获得采样点的最佳对应位置。通过比对参考图和任一目标图间的图像相似程度,可以自动检测采样点的被遮挡及遮挡后的重现。同时,运用参考图还可以避免长序列跟踪中出现误差累积。本文提出的优化参数传递方法,能够利用采样点之间的运动相关性,根据已有采样点的对应位置,准确估计其邻域中其他采样点的对应关系。与传统的直接参数传递不同,该方法使用传递函数对相邻采样点之间的运动参数差异进行量化建模,因此能够提供更准确的初始参数估计,从而大大提高迭代优化算法进行参数优化时的收敛准确率和计算效率。同时,优化参数传递能够容许更大的采样间隔以及运动参数在采样点之间的迅速变化。此外,该方法在每次传递时优先选择匹配可靠度最高的已有采样点作为参数传递来源,大大降低了错误匹配结果造成的误差扩散的影响。本文除了运用所提出的方法成功获取纺织面料和人脸表面的复杂三维运动外,还探索了其在实验力学中精确测量材料形变的应用。对于在实验力学中广泛应用的数字图像相关方法,特征点匹配以及优化参数传递能够进一步完善形变测量的精确度、可靠性、计算效率和自动化程度,并在材料的大形变测量中取得理想的结果。
【作者】周轶昊；
【导师】陈雁秋；
【作者基本信息】复旦大学，计算机应用技术，2012，博士
【关键词】计算机视觉；运动表面；三维运动；三维重建；特征点匹配；渐进；自遮挡；参数传递；传递函数；实验力学；形变测量；数字图像相关；

【参考文献】
[1]刘志坚.宁夏卫宁北山金、铅、银多金属矿成矿地质特征[D].成都理工大学,地质学,2013,硕士.
[2]何禄美.纳米Fe_2O_3可见光催化材料的石墨烯复合改性及机制研究[D].黑龙江大学,2014.
[3]何锦锋.科学发展观视野下发达地区农村工业化转型研究—无锡市胡埭镇为例[D].江南大学,马克思主义基本原理,2012,硕士.
[4]孙佳.促红素与微炎症状态维持性血液透析患者肾性贫血相关性研究[D].浙江大学,内科学,2013,硕士.
[5]张健康,索南加乐,粟小华,焦在滨.交直流混联电网发电机失步保护与直流低电压保护协调[J].电力系统自动化,2012,08:92-97.
[6]张治伟.城市轨道交通网络拓扑建模及其动力学分析[D].东华大学,电子与通信工程（专业学位）,2014,硕士.
[7]邹霞.手塚治虫的生命观[D].湖南师范大学,日语语言文学,2013,硕士.
[8]董亚丽.光催化芳香化合物的三氟甲基化反应研究[D].大连理工大学,药物化学,2013,硕士.
[9]黄发良,肖南峰.基于线图与PSO的网络重叠社区发现[J].自动化学报,2011,09:1140-1144.
[10]王宏涛.极小纳米团簇堆垛结构研究[A].国家自然科学基金委员会数理科学部、中国力学学会.第五届全国固体力学青年学者研讨会会议日程摘要集[C].国家自然科学基金委员会数理科学部、中国力学学会:,2012:1.
[11]干华栋.第三方物流参与下的医药供应链协调与收益分配研究[D].浙江大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[12]龚景森.锚栓焊接钢筋加固混凝土梁抗弯性能试验研究[D].广东工业大学,桥梁与隧道工程,2013,硕士.
[13]肖希明,田蓉.我国LIS教育中实践教学的调查分析[J].图书情报知识,2014,01:18-25.
[14]薛志磊.甘肃省极端气温近30年气候特征及其对WRF模式陆面参数化方案的敏感性分析[D].兰州大学,大气物理与大气环境,2013,硕士.
[15]娄素华,吴耀武,崔艳昭,易林,王建军,侯婷婷.电池储能平抑短期风电功率波动运行策略[J].电力系统自动化,2014,02:17-22+58.
[16]纪超.附子多糖对缺氧/复氧乳鼠心肌细胞的保护及其线粒体机制探讨[D].广东药学院,病原生物学,2012,硕士.
[17]刘凯.区域可持续发展评价分形模型的构建及其应用[D].河南大学,人文地理学,2004,硕士.
[18]李新燕.Pt基催化剂上H_2选择催化还原NO的研究[D].大连理工大学,物理化学,2013,硕士.
[19]乌兰.赋予强制执行担保公证债权文书效力及其执行问题探析[D].内蒙古大学,法律,2014,硕士.
[20]董伯麟刘洋王治森.基于双NURBS参数混合插补算法的五轴联动交叉耦合控制器研究[J].中国机械工程,2014,22:.
[21]张伟丰,郑建国.多智能体遗传算法优化神经网络权值研究[J].湖北汽车工业学院学报,2005,04:34-37.
[22]杜婷.论《强盗新娘》中的女性存在问题[D].山西师范大学,比较文学与世界文学,2013,硕士.
[23]鲁雁伟.苎麻蜈蚣草间作对生物产量及土壤重金属Pb、As吸收与积累特征研究[D].湖南农业大学,作物学,2012,硕士.
[24]张凌.螺杆压缩机转子齿廓磨削关键技术[D].厦门大学,机械工程,2014,硕士.
[25]苏姝.物权公示效力研究[D].华东政法大学,法律（专业学位）,2012,硕士.
[26]郝秋来,周立庆.石墨烯合成及其光电特性[J].激光与红外,2014,12:1295-1299.
[27]黎亮.Internet创新学习环境研究[D].华东师范大学,2001.
[28]代永智.SGLT-2抑制剂Ertugliflozin的合成研究[D].湖南中医药大学,药物化学,2013,硕士.
[29]吴钰骅.软土深基坑工程流变及共同变形性状研究[D].浙江大学,岩土工程,2004,硕士.
[30]王春晓.当前高中生激励教育存在的问题与对策[D].华中师范大学,学科教学,2014,硕士.
[31]于美辰.酒精中毒脑皮层功能连接网络的研究[D].兰州大学,理论物理,2013,硕士.
[32]郑海燕.网络社会视域下中国共产党执政资源研究[D].广东海洋大学,马克思主义中国化研究,2013,硕士.
[33]王希文.不同针刺方法治疗脊髓疾病继发神经病理性疼痛的临床疗效观察[D].黑龙江中医药大学,中医学（专业学位）,2013,硕士.
[34]郭帝.金融危机后我国货币政策对证券市场的影响[D].云南财经大学,金融学,2014,硕士.
[35]孙卉丽.高血压肾损害诊疗现状及中医证型分析研究[D].北京中医药大学,中医学,2013,硕士.
[36]孟令全.我国医药企业信息化现状与推进策略[D].沈阳药科大学,2005.
[37]张贺.基于嵌入式平台的车载终端设计与应用[D].大连理工大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[38]李瑞.活性污泥法除磷过程中胞内储存物质的红外光谱解析与应用[D].安徽建筑工业学院,市政工程,2012,硕士.
[39]徐晓.淡水螺类对湿地微生物介导的甲烷排放的影响[D].上海师范大学,微生物学,2013,硕士.
[40]颜冬润.中风病急性期四诊信息与神经功能评价指标的动态观测[D].北京中医药大学,2004.
[41]郝杰.大庆长垣中部扶杨油层构造演化与油气成藏关系研究[D].成都理工大学,构造地质学,2013,硕士.
[42]曾硕,唐俊峰,何昭建,沈致和.合肥市农村沼气建设及利用情况现状调查[J].安徽农业科学,2014,33:11813-11815.
[43]李强龙.超快泵浦—探测技术中的光谱实时校正研究[D].西北大学,2012.
[44]周传志,谈超,蒋明勇,李东晖,吴应湘,高宇欣.智能WGL-1型采矿中深孔深度倾角测量仪[J].冶金自动化,2001,05:43-46.
[45]吴箐.危机传播中政府的媒介策略研究[D].中原工学院,科学技术哲学,2012,硕士.
[46]安亚巍.OLAP系统平台一多维联机分析系统XOLDAS的分析与设计[D].上海海事大学,2004.
[47]袁义龙.论民事赔偿责任优先规则的适用[D].安徽大学,民商法学,2014,硕士.
[48]汪佳宏.基于自由词的基因功能注释和分子网络构建[D].南方医科大学,遗传学,2012,硕士.
[49]刘敏.侗族节奏型舞蹈研究[D].中国艺术研究院,舞蹈学,2013,硕士.
[50]李龙.基于遥感技术的蒸散发与地下水之间的关系研究[D].中国地质大学（北京）,地下水科学与工程,2013,硕士.