基于RGB-D的环境建模方法与立体显示技术研究

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随着科技的不断发展,虚拟现实(VR,VirtualReality)技术成为计算机研究领域的一大热点,不仅是科研工作者,在消费领域同样受到了极高的关注。在这个体系下可以创建并感受虚拟的世界,最基本的是视觉的体验,使用者可以沉浸式地感受虚拟世界,此外,理想中的虚拟现实技术可以为使用者提供全方位的感知功能。  同时定位与地图创建(SLAM,SimultaneousLocalizationandMapping)是近阶段最热门的机器人导航的核心问题,国内外学者都致力于对其关键问题进行研究。基于RGB-D深度视觉传感器的V-SLAM,解决了单目、双目摄像机在建图过程中效率低、精度差的问题,并且随着消费级RGB-D传感器的出现,更多的开发者投入到SLAM研究的行列中。本课题将V-SLAM与虚拟现实技术融合,对部分V-SLAM过程中的内容进行改进,最终得到一个准确、鲁棒的环境重建方法。并根据大范围环境重建的结果,建立可沉浸式体验的虚拟现实场景。  首先,基于RGB-D相机对SLAM前端进行深入研究和设计。研究深度相机结构及深度信息测量原理,对相机的内部参数进行标定。结合迭代最近点(ICP)与深度图像信息,建立融合几何信息和RGB-D信息的相机位姿估计方法,通过李代数进行求解,并通过实验验证方法的准确性。  其次,研究TSDF地图的构建原理,将其与SLAM方法融合并建立模型。针对“工作空间”局限问题,扩展相机运动区域,并根据相机位姿将深度图不断融合到模型中,结果显示多帧融合模型效果明显优于单帧模型。在此基础上,提出将基于词袋的回环检测方法加入重建算法中,优化轨迹并修正点云及模型,设置多个约束以减少回环判断失误的的可能,实验证明方法提升了建模的准确性。  然后,结合场景三维重建的结果,对虚拟现实关键技术进行研究,通过对场景的复现给使用者带来沉浸式环境感知。基于socket网络通信完成跨系统数据传输,并利用Unity对VR一体机进行二次开发,基于双目立体视觉对屏幕分屏处理,修复显示畸变,实现三维场景在VR一体机上的显示。  最后,利用Kinect传感器进行实地实验,反别采集局部和大范围场景,验证了整体算法的可靠性、准确性。此外,采用TUM数据集对算法进行评估,通过轨迹的绝对误差进行分析,验证了算法具有较好的准确性。
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