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基于元胞自動(dòng)機(jī)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)標(biāo)記識(shí)別算法

作者: 時(shí)間:2012-03-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 中標(biāo)記識(shí)別一直是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的瓶頸,占用了系統(tǒng)處理的大部分時(shí)間,即使采用規(guī)則幾何形式的標(biāo)記,對于實(shí)時(shí)要求很高的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)而言,其識(shí)別算法的效果和實(shí)時(shí)性也是不理想的,因此提出了一種利用應(yīng)用模型,利用給定的演化規(guī)則,改進(jìn)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中標(biāo)記識(shí)別的算法,并在ARTOOLKIT系統(tǒng)中做了具體實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,改進(jìn)的算法的實(shí)時(shí)性和識(shí)別效果均有了很大的提高。

  0 引 言

  增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(augmentedreality,AR),是隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(virtual reality,VR)迅速發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用需要而出現(xiàn)的一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是使用了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)。其重要特點(diǎn)的有:用戶擁有沉浸感,虛擬環(huán)境與實(shí)際環(huán)境融為一體,幾乎感覺不到真假融合所產(chǎn)生的不和諧;系統(tǒng)具有交互性,用戶可以通過交互設(shè)備直接與虛擬物體或虛擬環(huán)境進(jìn)行交互:是在三維空間中增添定位虛擬物體,它的研究涉及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、人機(jī)接口、三維注冊、頭盔顯示等方面。利用標(biāo)記實(shí)現(xiàn)虛擬物體的精確注冊已經(jīng)是一種較成熟的技術(shù)了,并在室內(nèi)、室外到移動(dòng)應(yīng)用等環(huán)境都得到了廣范應(yīng)用。其中標(biāo)記識(shí)別一直是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的瓶頸,占用了系統(tǒng)處理的大部分時(shí)間,即使采用規(guī)則幾何形式的標(biāo)記,對于實(shí)時(shí)要求很高的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)而言其識(shí)別算法的結(jié)果和 實(shí)時(shí)性也 是不理想的。

  (cellular automata,CA)是一時(shí)間和空間都離散的動(dòng)力系統(tǒng)。散布在規(guī)則格網(wǎng)中的每一(Cel1)取有限的離散狀態(tài),遵循 同樣的作用規(guī)則,依據(jù)確定的局部規(guī)則作同步更新。大量元胞通過簡單的相互作用而構(gòu)成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的演化。不同于一般的動(dòng)力學(xué)模型,元胞不是由嚴(yán)格定義的物理方程或函數(shù)確定,而是用一系列模型構(gòu)造的規(guī)則構(gòu)成。凡是滿足這些規(guī)則的模型都可以算作是元胞自動(dòng)機(jī)模型。因此,元胞自動(dòng)機(jī)是一類模型的總稱,或者說是一個(gè)方法框架。其特點(diǎn)是時(shí)間、空間、狀態(tài)都離散,每個(gè)變量只取有限多個(gè)狀態(tài),且其狀態(tài)改變的規(guī)則在時(shí)間和空間上都是局部的。

  1 傳統(tǒng)識(shí)別算法

  視覺標(biāo)記的識(shí)別過程包括輸入圖像、輸出圖像標(biāo)記的包圍框和特征點(diǎn)的坐標(biāo)。這個(gè)過程的設(shè)計(jì)要求是具有較好的精度,滿足實(shí)時(shí)性要求,其中實(shí)時(shí)性要比精度更重要一些。標(biāo)記的識(shí)別中,一般可以利用的信息是標(biāo)記的邊緣信息、幾何信息、色度信息 。如圖 1所示。首先將圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像,然后利用 腐蝕 、邊框提取和 Hough變換等 技術(shù)獲得標(biāo)志包圍,再經(jīng)過種子填充和幾何限制等手段取得特征點(diǎn)集合。

  

  2 采用CA模型的算法

  CA識(shí)別算法如圖2所示,可見算法的效率高低取決于CA模 的設(shè)計(jì)。本文采用的CA模 犁如下:

  

  2.1 元胞空間

  假設(shè)元胞空間由二維 M*N個(gè)像素構(gòu)成。并假設(shè)是時(shí)間同步的。定義一幅M~N大小的二維圖像

  

式中:M,N分別表示圖像的高和寬。Aid')表示( 點(diǎn)的狀態(tài)值(也即灰度值)。對于k值圖像,( 在狀態(tài)集取值。含有標(biāo)記的視頻圖像如圖3所示。

  

  鄰居模式采用摩爾型。每個(gè)元胞構(gòu)成如下:每個(gè)元胞由4個(gè)分量構(gòu)成:GCell(c,p,e,v),其中C表示灰度,為簡單起見,先利用閥值進(jìn)行了二值化,得到 0或 1。要注意在其過程中消除孤立點(diǎn) ,不然會(huì)影 響識(shí)別效果 。P表示是 否是邊緣點(diǎn),如 是邊緣點(diǎn)則為 1,否則為 0。e表示是否是邊 ,如是則為 1,否 則為0。v表示是否 為頂點(diǎn) ,如是 則為 1,否 則為 0;i表示是否 為標(biāo)記內(nèi)部特征點(diǎn),如是則為 1,否則為0。采用二值表示,簡化了操作。系統(tǒng)初始矩陣如下

  


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