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多视点虚拟场景的立体效果计算机控制算法与应用

添加时间:2018-03-17 15:09:07   浏览:次   作者: www.dxlwwang.com
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本文是一篇计算机硕士毕业论文,计算机论文是计算机专业毕业生培养方案中的必修环节。学生通过计算机论文的写作,培养综合运用计算机专业知识去分析并解决实际问题的能力,学有所用,不仅实践操作、动笔能力得到很好的锻炼,还极大地增强了今后走向社会拼搏、奋斗的勇气和自信。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇计算机硕士毕业论文,供大家参考。

 
第一章绪论
 
1.1 虚拟现实技术研究背景
虚拟现实技术(Virtual Reality)又被称作虚拟技术,这一概念最初由 Stanley GWeinbaum 的科幻小说《皮格马利翁的眼镜》提出,故事中详尽的描述了基于人类各种感官体验的全息护目镜虚拟现实系统。虚拟现实先锋 Morton Heilig 在 1957 年后的多年中与伙伴共同研发了 Sensorama 系统,该系统是当今 VR 设备的原型[1]。80 年代 JaronLanier 创办了 VPL 公司,研发了数据手套,眼镜电话、音量控制等虚拟设备[2]。但由于计算机芯片发展的滞后,虚拟设备并没有大范围推广到市场中。伊利诺伊大学联合芝加哥电子视觉实验室在 90 年代研发出了第一套 CAVE 系统,该系统具有环绕式 3D立体显示屏,观看者可以佩戴立体快门式眼镜,并通过眼镜上的传感器返回头部的坐标值,而系统将展示基于这些数据的影像,实现沉浸式体验,该系统的面世极大地推动了虚拟现实技术的发展[3]。关于虚拟现实中的交互工具,则有数据手套和手柄等工具,其中数据手套在虚拟现实系统应用较多,它具有弯曲传感器,可以通过导线将动作信号传输至系统中并于虚拟环境进行交互,美国 NASA 的 Ames 研究中心利用数据手套设计出虚拟宇宙探测训练系统并应用于对宇航员的训练[4]。现今的虚拟现实技术广泛应用于影视、游戏、旅游、建筑、医学、媒体等领域,为人们的工作生活提供了极大的便利。虚拟现实设备包括:VR 头盔、双目全方位显示器、主动式立体显示器(需配合快门式立体眼镜观看)、光栅式裸眼立体显示器等[5]。自 VR 概念的提出,西方很多国家组织人力物力进行了该方面的研究,并取得了许多令人瞩目的成果。我国的虚拟现实技术起步相对较晚,目前仍处于研究阶段,市面上未见成熟的产品,据资料显示,东南大学的嵌入式系统实验室对裸眼 3D 显示的多视点视频采集进行了研究,对传统的集成成像进行了改进。安徽工业大学的图像处理研究所针对立体片源生成方式中离线渲染不能使用户与其交互、难以实时生成多视点立体画幅对等缺点,提出了在构造虚拟摄像机的基础上,生成立体画幅对并对多视点渲染进行优化的方法。清华大学建立了基于交互式动态光场的多视点 FTV 平台,该平台可以进行视点的合成。上海交通大学的计算机应用研究所实现了虚拟现实立体视觉信息采集与显示系统的构建,并针对虚拟手术、图像的重建与绘制等方面进行了研究。虚拟现实的特征:沉浸感、交互性、构想性。这些特征凸显了人在虚拟现实系统中起的主导作用。以往人们只能通过键盘鼠标来操作计算机,虚拟现实的出现使人们可以在虚拟的场景中进行虚拟交互,而这种体验更加直观并且更接近真实世界中的各种体验[6]。虚拟现实中的沉浸感需要通过实现使观看者感知到虚拟场景中的三维立体物体来完成,而立体效果的好坏决定了沉浸感的强和弱,从而立体效果的控制成为虚拟现实研究中的一个重要领域[7]。
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1.2 课题的研究意义
VR 时代已经到来,其硬件基础已经初具规模,但支撑 VR 技术发展的内容(电影、游戏、漫游场景等)却非常稀缺,由于技术上的限制,能够开发 VR 资源的平台少之又少,其中立体图像采集技术是视觉显示技术中较复杂和关键的技术,也是虚拟现实的重要支撑技术,它能使虚拟物体栩栩如生的展现在观看者面前,并达到触手可及的效果,另一方面立体资源的生产主要依赖于立体图像的采集,真实场景立体图像的采集方法已经有许多,但对于虚拟场景的立体图像采集却相对匮乏,对于虚拟场景的立体图像采集本文通过研究现有的双目及多视点立体效果控制算法,实现了对虚拟场景立体效果的控制,并允许观看者在多个视点上观察场景,体验到良好的立体感觉,为展示更加逼真的画面打下基础。
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第二章立体视觉原理及立体显示效果研究
 
2.1  双目立体视差模型
深度线索又称为距离知觉线索或立体知觉线索,它提供给人类对于判断物体在空间深度的信息,视觉深度线索又分为:1) 图画线索,即画面中越远的物体越小,越近的物体越大;遮蔽线索,即物体之间的相互遮挡关系,提供的深度信息;2) 运动视差线索,即越远的东西运动速度越慢,离观看者越近的东西移动速度越快;3) 表面重现线索,即观看者在运动时,从某一个角度观看时,远处的物体会被近处的物体遮盖住,而从另一个角度观看时,前面被遮住的部分又重新出现,另一部分则被遮挡住,这类动态的先隐再现的现象,为感知深度提供了另一重要线索;4) 双眼辐辏线索,既近处物体的双眼辐辏角大,而远处物体的辐辏角小。5) 像差线索,既相对深度越远,双眼相差约大。双目立体视差,主要为观看者提供的是双眼辐辏线索和像差线索,利用这两个线索,就可以获取较为良好的立体效果[35]。双目立体视差模型可以为虚拟现实系统提供视觉上的沉浸感与真实感,为了使合成的画幅对、画幅组具有良好的立体效果,需要深入研究双目立体视差模型[36],目前在各研究机构中,热门的模型有两种,一种是平行式立体成像模型,另一种是会聚式立体成像模型,这两种模型各具特点,下面将针对它们进行介绍和比较。
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2.2 立体视觉技术的应用
立体视觉技术的应用范围广泛,在工业生产中,其特点具备效率高、精度高、系统结构简单、成本低等优点。在实际操作中,从多个角度拍摄物体,再恢复出被摄物体的三维坐标,并通过定位使机器人代替传统的人工去生产线上抓取物体[14]。利用立体视觉技术可以检测人工无法接触的机器部件的精确状态,对目标部件进行 3D 重构,从而为其保养提供参考依据。立体视觉技术在在医学领域中的运用越来越多,关于立体显示技术的研究也越来越受瞩目,因为和传统的平面显示相比,立体显示技术提供的深度信息更加丰富多样,使得医学数据更真实的展现在医疗工作者面前。在汽车制造业方面,吉林大学汽车运输研究所在2003年将计算机视觉技术引入到汽车检测领域。2003 年潘洪达、詹东华等将图像处理技术引入到轴距差检测中,由于试验条件各方面的限制,此技术只采用了两 CCD 摄像机。该方法适用于在汽车直线行驶下检测汽车轴距差。
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第三章虚拟场景的双目立体效果控制算法................. 17
3.1 虚拟场景中双目立体成像系统的数学模型 ................ 17
3.1.1 视图变换 ........... 17
3.1.2 投影变换 ........... 18
3.1.3 创建标准正交视域体 ..... 19
3.1.4 创建标准透视视域体 ..... 20
3.2 两种立体成像系统的数学模型 .............. 22
3.3 观看立体画幅对距离边界的获取 .......... 25
3.4 立体画幅对中最大最小视差获取 .......... 27
3.5 双目立体效果控制实验 ............ 28
3.6 本章小结 ........ 30
第四章虚拟场景多视点图像立体效果控制................. 31
4.1 虚拟物体到多视点影像映射关系 .......... 31
4.2 裸眼多视点立体显示设备的像素映射 ................ 33
4.3 图像亚采样 .... 34
4.4 点立体图像合成排列 ................ 36
4.5 视点立体画幅组生成实验 ........ 37
4.6 本章小结 ........ 40
第五章立体效果控制算法的应用........... 41
5.1 视在距离定量控制研究 ............ 41
5.2 视点位姿可变的 CAVE 立体显示.......... 44
5.3 本章小结 ....... 49
 
第五章立体效果控制算法的应用
 
5.1 视在距离定量控制研究
对于平行模式,可根据观看者到屏幕距离 的动态变化,动态调整对称视锥水平视角,进行超分辨率(渲染分辨率大于所需分辨率)离屏渲染(仅渲染,不现实到屏幕)后,将渲染得到图像裁切掉若干个像素(左眼图像裁切左侧,右眼图像裁切右侧),再进行显示,即可获得定量控制的视在距离。综合分析式(5.4)~式(5.12)。可得到使用平行视锥裁切来模拟离轴模式的几点结论:将单一屏幕的离轴模式立体显示推广到多屏幕的 CAVE 系统中,最大的差别是视点位置可以变化,姿态也可能发生变化。考虑如图 5.2 所示观看者与屏幕的相对位置关系。图 5.2(a)中,观看者双眼连线与屏幕水平边缘平行,视差方向为水平方向;图 5.2(b)中,观看者头部向右倾斜了 25°,则屏幕上所显示的图像视差方向也需向右倾斜 25°,才能满足人双目立体视觉视线交汇的条件。坐标系在虚拟现实系统中可分为两类,虚拟环境坐标系和物理观察坐标系,两者间有着严格的转换关系,才能完成视点位姿变化情况下的立体视在效果定量控制。虚拟世界坐标系的子坐标系。其中心和坐标轴有视景生成程序指定初始位置;其在世界坐标系下的相对位置和姿态变化,由参训者所驱动的位移和姿态转换装置(如二维运动模拟平台等)通过实景生成程序动态调整,代表了参训者在世界坐标系中走到了何处;另指定 CAVE 系统前侧屏幕所代表的朝向,始终是此坐标系的 y 轴正向。
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结论
 
为了获取人眼可以融合的画幅对,需要引入 Wheatstone-Panum 融合区这一理论,该理论指出,当物体在很远的距离处被观测时,眼睛的两视轴接近于平行状态,场景在两只眼睛的透视投影图像是非常相似的。当只用左眼或者只用右眼观看物体时,可以明显感受到观察物在眼睛中的图像没有差别。但是当观测近处的物体时,这种现象将不复存在,因为双眼的光轴呈一定角度会汇聚在物体上,并且当物体离双眼越近,看到的物体的像差别越大。当物体位于双眼视轴交点之前或之后的情况下,如图 3.10所示,在双眼注视点上的物体,如图(a)所示,物体反射出的光线射入双眼视网膜中,产生单一的像,而注视点附近的物体,如图(b)(c)所示,尽管物体的光线没有射入视网膜对应的点上,也可以形成单相。
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参考文献(略)

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