基于双目视觉的新视点图像生成算法的分析

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1、前言1前言1．1研究背景及意义视觉是人类获取信息最有效的手段，它不仅是指对光信号的感受，还包含了对视觉信息的获取、传输、处理、存储与理解的全过程。让计算机或者机器人具有视觉，是人类多年以来的梦想。随着半导体、计算机和通信等技术飞速发展，推动了计算机视觉这门新兴学科的兴起与发展，使这种希望正在逐步实现【l】f2)f3】。1．1．1虚拟场景绘制在计算机视觉领域，对虚拟场景绘制进行了多年的研究，追求的目标是达到照片级的真实度。概括起来主要包括两种绘制虚拟场景的方法【4】：基于模型的绘伟JlJ(ModelBasedRendering，MBR)：利用计算机视觉和计算机图形学技

2、术，对真实场景进行定义，从而建立三维场景模型，然后利用计算机实现场景模型的绘制、着色、消隐、光照以及投影等处理过程，最终生成对应给定视点和方向的图像。基于图像的绘制(ImageBasedRendering，IB鼬：主要研究如何采用已知实景图像来直接生成虚拟视点下的对应图像。目前，显示系统(如显示器)基本上是2D的。基于模型的绘制方法生成的3D模型需要投影成为2D图像进行显示；而基于图像的绘制方法则利用了当前显示技术的特点，直接通过对已知的2D图像进行处理，生成虚拟视点的图像。与传统的计算机图形学合成技术的根本区别在于：它不需要进行几何建模，只是通过对获取的源图像进行

3、适当的几何和灰度变换，插补，综合出位于不同视点下的新图像。该方法的最大优点在于：目标图像给出的是客观真实的场景视图；算法复杂度与场景无关，在实时显示时不需要专业的图形加速设备；借助图形技术，可以获得与照片有同样真实感的图像。由于以上这些优点，基于图像的虚拟场景生成技术已成为近年来计算机视觉及虚拟现实技术研究中最为活跃的研究方向之一。它在电影特技、视频传输、GIS系统、远程电视会议、旅游及娱乐等领域得到了广泛的应用，具有良好的市场前景。1．1．2双目图像分析通过一个固定的传感装置采集图像，不足以完全描述、测量和解释所面对的三维环境，因此设置多个观察点是必要的，立体视觉

4、就应运而生了。立体视觉系统可以包含一个传感器，也可以包含两个或多个传感器。前者靠单传感器运动，不同时刻处于不同位置而形成西安理工大学硕士学位论文多观察点。最简单、基础的情况是只考虑两个观察点，即双目视觉情况。双目视觉由不同位置的两台或者一台摄像机经过移动或旋转拍摄同一幅场景，通过所拍摄的两幅图像之问的约束关系，获得空间点的信息。与其它的体视方法比较，双目视觉直接模拟人类双眼处理景物的方式，可靠简便，在许多领域均极具应用价值，如机器人导航与航测、微操作系统的定位与控制、虚拟现实及虚拟场景绘制等。1．2基于图像的绘制技术1．2．1基于图像的生成绘制技术的发展历史IBR技

5、术是利用二维的图像信息来表达、绘制场景，以达到比较好的真实感和实时性。最早使用IBR技术的是Blinn的环境位图(environmentmaps)[5】和Lippman的电影映像系统(movie—mapsystem)[引。环境位图记录某一视点的所有入射光线，最初的用途是为了更有效地近似物体表面的环境反射，也完全可以用来快速生成该视点的任意方向的视图，环境位图为后来的一些IBR技术提供了基础。电影映射系统把几千幅图像存储在可交互的视频光盘上，这些图像可根据视点的交换随机地显示，但不能合成新的图像。纹理映射【7】也是一种早期的IBR技术，其实质是将图像重映射到3D场景的

6、表面上，用纹理来显示复杂模型的表面细节，可见用图像来代替几何模型的思路早已有之，所不同的是图像在几何模型中占有的比例越来越大。在环境映射技术f5】中，图像被直接用来显示较远的物体，此时图像已经从代替一个物体的部分发展到了代替一个或多个物体。九十年代提出的全视函数技术【8】【91、光场技术【1o】【1¨、视图插值技术【12】【13】【141和全景图像技术‘151已经发展成用图像来代替整个场景。1，2．2基于图像的生成绘制技术的分类基于图像绘制方法的基本思想是用一系列图像采样来代替场景的部分或者全部几何信息来绘制场景。根据方法对几何信息的依赖程度的不同，Heung．Ye

7、ungShum把IBR方法分为三类【l6】：不含几何信息的绘制、含隐式几何信息的绘制、含显示几何信息的绘制(近似或精确的深度、三维坐标等几何信息)，如图1．1所示。这种分类并不是很严格的，有很多方法介于三类之间。因此，多种IBR方法都包含了图1—1所示的三类方法。图1．1的右端是基于几何模型的IBR技术，这种绘制的特点是有具体的几何场景，源图像是场景几何模型经过投影映射的结果，虚拟视点图像是源图像经过三维图像变换的结果。基于几何模型的IBR技术所需要的显示方法和传统图形学相似，差别只在于它的模型建立主要以图像数据作为依据。流程图如图1．2所示。因此，几何建模所用