面向空间舱内机器人遥操作的增强现实仿真场景构建技术研究

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1、面向空间舱内机器人遥操作的增强现实仿真场景构建技术研究摘要空间机器人及其遥操作技术是目前主要航天大国研究的重点技术之一，它对提高国家在空间领域的竞争力和安全性具有重要的意义。空间机器人遥操作对信息反馈的实时性和准确性有着更为严格的要求，信息反馈的延迟或误差会影响操作人员的正确判断，导致控制失败，造成重大的经济损失。本文针对解决空间机器人遥操作中时延问题的预测显示控制方式，提出一种并行分布式的增强现实场景构建系统，构造空间舱内机器人遥操作的增强现实仿真场景。该场景构建系统通过构建高处理能力体系结构、设计快速高精度虚拟机器人注册算法以及多层次的虚实遮挡关系

2、检测算法，实现虚拟机器人与空间舱内真实场景的全方位配准和可靠融合，并通过图像拼接技术和宽视场角显示系统对融合场景进行显示，为空间舱内机器人遥操作提供实时、准确、清晰的增强仿真信息。主要研究内容包括：第一，针对目前增强现实技术在处理性能上的不足，在对空间舱内机器人遥操作环境特点进行分析的基础上提出了一种面向空间舱内机器人遥操作预测仿真的并行分布式增强现实系统体系结构，并对并行结构所涉及的同步控制机制和通讯系统的实现方式等进行了深入研究。该并行分布式结构基于空间舱内环境固定可测的特点，通过多通道并行处理能够为操作人员提供实时、高分辨率、宽视场角、高沉浸感的

3、增强场景预测立体显示。第二，基于直接线性变换(DLT)标定算法提出了一种快速精确的相机标定方法，并对其在增强现实虚实注册中的注册误差与Tsai两步标定算法进行了实验对比。该方法采用直接线性变换法进行摄像机标定和注册，不需要对拍摄图像进行畸变校正，可以提高系统的处理速度；同时，由于标定的测量体基本覆盖单个摄像机所对应的整个有效注册空间，因此即便采用不考虑畸变的DLT算法也可以获得较高的虚实对齐精度，能够为观察者提供可靠的相对位置关系。第三，针对目前虚实注册技术没有统一评价标准，对于不同类型的注册技术通常很难进行定量评估来判定技术优劣的问题，提出了一套虚实

4、注册技术评价指标。此评价指标分为与注册质量相关和与系统需求相关两个方面，分别对注册技术的固定注册精度、注册空间大小、注册计算量、注册鲁棒性、硬件成本、前期工作量以及适用性等项目进行评测。这套评价指标可以用来对特定的虚实注册技术进行全面综合的评价。第四，提出了一种快速高精度多层次遮挡检测算法来实现增强现实系统中虚实投影间快速鲁棒的多层次遮挡检测。其中，基本双目立体匹配虚实遮挡算法通过比较虚实投影的相对位置来判定虚实空间点间的遮挡显示状态，不需要进行深度重构计算，可以提高遮挡检测效率；基于顶点显示状态在时间和空间上的连续性提出的状态拟合算法能够解决特征匹配

5、失败顶点的状态检测问题；有效边点检测算法利用顶点邻接边上高可靠性边点代替低可靠性邻接顶点进行状态拟合运算能有效提高状态拟合算法的精度；最后，通过对检测出的显示状态进行整体连续性优化能够改善虚实融合图像的连续性效果。第五，本文采用基于图像绘制(IBR)的图像拼接技术来获得宽视场的增强仿真场景图像。针对目前的图像配准技术都是面向通用图像拼接，效率和精度都比较低，不能满足多路视频流之间实时精确的无缝拼接要求，提出了一种基于相机标定和相位相关相结合的图像配准拼接算法，利用相机标定信息和傅立叶变换的平移特性实现场景深度范围一定的多路视频流间实时高精度的无缝拼接。

6、该配准算法利用精确的相机标定信息来实现图像间的旋转和缩放变换，对图像配准的准确度有很大改善。同时算法在预处理阶段就已经确定了图像的旋转缩放变换矩阵，实时处理阶段直接进行矩阵运算，避免了对数极坐标变换和反复的FFr正向、逆向操作，极大地提高了处理速度，使拼接算法具有非常好的实时性。最后，基于所设计的场景构建系统设计了简单的舱内机器人遥操作场景仿真实验原型。实验结果证明了系统设计的正确性和有效性。关键词：空间机器人遥操作增强现实体系结构虚实注册多层次遮挡图像拼接ⅡSTUDYONAUGMENTEDREALITYSIMUL棚ONSCENECONSTRUCTIO

7、NTECHNOLOGYFORTELE．OPERATIONoFSI'ACEROBOTINCABINABSTRACTNow，spaceroboticsand“stele．operationtedlnolo霉Ⅳhavebecomethemostimponantresearchare弱iIlmanycountrieswithadVancedaerospacctechnologV；andmakegreatsenseinenhancingcountry’sconlpetitionabilitvandsecuritVinspacearea．Becauseofthep

8、articularitVandsi霉皿ificanceofitsapplicationarea