增强现实摄像机-imu相对姿态的自动标定研究

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1、万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的她方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国工程物理研究院或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名=善事影签字嗍剜声步月哆日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解并接受中国工程物理研究院研究生部有关保存、使用学位论文的规定，允许论文被查阅、借阅和送交国家有关部门或机构，同时授权中国工程物理研究院研究生部可以将学位论文全部或部

2、分内容编入有关数据库进行检索，可以影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。学位论文作者签名：貂屹签字日期：wf≯年争月霹日翩躲芬；乏张‘．，“¨’签字日期：驯驴年≯月鸠日万方数据摘要增强现实技术是在虚拟现实技术的基础上发展起来的一门新兴的人机交互技术，通过估计摄像机在3D场景中的位置，添加实时生成的虚拟3D部件、图像和文字等信息，以增强用户的使用体验。实现增强现实技术的基础是能够实时获得摄像机在空间中的位置，而通过单一的视觉跟踪方法很难获得稳定准确的摄像机位置信息。通过将摄像机与惯性测量单元严格绑定，将两种传感器的数据进行融合，可以显著增强摄像机姿态跟踪的稳定性和准确性。

3、使用不同的传感器测得的数据位于不同的坐标系中，为了能够对数据进行融合，需要将不同传感器的信息转换到一个统一的坐标系中。坐标系转换前提是己知不同传感器之间的相对位移与相对朝向。因此，不同传感器的相对姿态是否准确直接影响混合传感器的跟踪效果。本文介绍了一种基于扩展卡尔曼滤波器的摄像机．IMU相对姿态的自动标定方法。通过在EKF中不断估计IMU在世界坐标系中的位置和朝向、摄像机在LMU坐标系中的位置和朝向、IMU在世界坐标系中的速度、IMU的线性加速度和角速度的漂移误差，得到最终的标定结果。实验数据表明，在系统的初始误差较大以及受到较大的非线性噪声的影响下，该方法仍然能够对摄像机与I

4、MU之间的相对位置与朝向进行较为准确的标定。本文的主要研究内容包括：1)摄像机内外参数标定与特征点匹配。通过重新设计摄像机标定板可以实现自动识别世界坐标系原点位置和X轴与Y轴方向。2)设计摄像机．惯性测量单元相对姿态标定算法的EKF预测模型，通过使用当前时刻的系统状态信息预测下一时刻的状态矢量信息。3)设计摄像机．惯性测量单元相对姿态标定算法的EKF测量模型，将图像特征点在图像坐标系中的2D坐标作为EKF的测量矢量，计算测量模型方程对状态矢量求偏导得到的Jacobian矩阵加入EKF进行迭代计算。4)构建摄像机．IMU相对姿态自动标定平台，生成仿真数据，验证算法的正确性与可用性

5、。关键字：摄像机惯性测量单元特征点识别相对姿态标定卡尔曼滤波器iil万方数据AbstractAugmentedrealitytechnologyisanewhuman—machineinteractiontechnologydevelopedonthebasisofvirtualrealitytechnology．Itcallenhancetheuserexperiencebyestimatingtheobserver'slocationina3Dscene，addingvirtual3Dcomponents，images，textorotherinformationgener

6、atedinrealtime．Thefundamentalpartofaugmentedrealitytechnologyimplementationisabletoobtainreal-timecanlerapositioninspace．Butitisdifficulttoobtainstableandaccuratecamerapositioninformationthroughasinglecameravisualtrackingmethod。Throughthestrictlybindingcombinationofacameraandaninertialmeasur

7、ementunit(IMU)andthedatafusionofthesetwotypesofsensors，wecansignificantlyenhancethestabilityandaccuracyofcameraposetrackingoperation．Datameasuredbydifferentsensorsusuallylocatesindifferentcoordinatesystems．Inordertofusethesedifferenttypeofdata,Wene