计算机视觉在文物中的应用,基于SLAM的无标记增强现实算法研究及其在文物展示中的应用.pdf...

摘要

摘要

增强现实技术可以为文物展示应用增加真实感和交互性，但是目前的增强现实算

法大多都是基于标记而实现的，基于标记的增强现实技术无法摆脱标识物的使用限

制，从而大大降低了增强现实应用的真实感和沉浸感。无标记的增强现实系统的设计

与实现一直是增强现实领域研究的重点和难点。本文采用同时定位和地图绘制算法

(SimultaneousLocalizationAndMapping，简称SLAM)作为增强现实系统的基础。

但是，由于单目SLAM 自身存在尺寸不确定等问题，所以必须对SLAM 系统进行优

化以便更加适用于增强现实系统。另外SLAM 仅提供位姿估计和稀疏地图等信息，

还需要在其基础之上进行进一步的空间感知和分析，设计一个完整的无标记的增强现

实系统。因为增强现实应用对实时性要求较高，需要对各模块进行速度方面的优化。

本文研究得到国家重点研发计划子课题“民乐民俗故事类文化资源数字化和博物馆藏

品虚实展示平台”的支持。本文主要研究工作如下：

1.实现了一种视觉惯性里程计方法。该方法结合了相机的图像信息和惯性测量单

元传感器所提供的信息，为增强现实应用程序用于现实环境和虚拟对象之间的交互提

供了尺寸基础，解决了单目SLAM 系统的尺度漂移和尺度不确定等问题。

2.设计了一种基于光流法的快速视觉里程计算法和一种自适应选择执行方法。快

速视觉里程计算法解决了增强现实系统对于实时性的问题，明显的提升了特征追踪速

度。本文还提出了一种自适应的执行算法，该算法根据惯性信息传感器数值的变化来

自适应地选择跟踪模块。

3.设计了一种深度信息稠密化算法和一种快速平面识别检测算法。这两个算法解

决了的空间感知的需求问题。深度信息稠密化算法解决了SLAM 算法提供的三维深

度信息过于稀疏的问题，可以将稀疏的深度信息快速的传递到全部像素，生成平滑的

深度图作为后期绘制的虚拟模型与现实场景的深度判定的输入信息。基于PROSAC

的平面识别检测算法进行快速实时的平面识别检测处理，得到的平面可以作为三维虚

拟模型的依附平面。最后，在上述工作的基础上完成虚拟模型的绘制，实现了完整的

增强现实系统，并开发了一款基于增强现实的兵马俑文物展示应用。

关键词：增强现实， 同时定位和地图绘制， 三维空间感知， 视觉惯性里程计

I

目录

目录

摘要I

ABSTRACTIII

目录V

第一章 绪论1

1.1 研究背景及意义1

1.2 国内外研究现状3

1.2.1 增强现实研究现状3

1.2.2 SLAM 算法研究现状6

1.3 研究内容及创新点9

1.4 本文的组织结构10

第二章 理论基础及技术概述13

2.1 增强现实系统结构13

2.2 单目视觉SLAM 系统结构15

2.3 增强现实系统的数据类型17

2.3.1ORB 特征17

2.3.2 关键帧18

2.3.3 共视图19

2.4 光束法平差19

2.5 单目初始化21

2.6 本章小结22

第三章 适用于增强现实的单目SLAM设计与优化23

3.1 视觉惯性里程计算法23

3.1.1IMU 预处理23

3.1.2 位姿估计27

3.2 基于光流法的快速视觉跟踪算法28

3.2.1改进的光流特征跟踪算法30

3.2.2 位姿估计32

3.3 自适应执行算法33

3.4 特征点数量选择35

3.5 实验结果与分析37