Введение к работе
Актуальность проблемы. Данный момент времени характеризуется быстрым ростом производительности компьютеров Это позволяет использовать компьютеры для совершения быстрых логико-операционных действий и оптимизировать так называемую операционную деятельность человека Тем не менее, больших >спехов в компьютерном оперировании на уровне образов до сих пор достичь не удалось Но компьютеры мог\т помочь в этом человеку Существенно повысить эффективность визуального анализа данных могут системы виртуальной реальности (ВР), называемые также системами виртуального окружения (ВО) Задача таких систем — погрузить исследователя в искусственный мир анализируемой модели и предоставить естественный интуитивный интерфейс для взаимодействия с ее элементами Это становится особенно актуальным сейчас, при быстром росте производимой человеком информации В настоящее время в мире существует более пятисот крупномасштабных установок виртуальной реальности, которые испоаьзуются в самых различных областях науки и техники для решения задач как фундаментальных научных дисциплин, так и в узко специализированных прикладных направлениях Разработку технотогий виртуального окружения в силу высокой стоимости компонент до последнего времени могли себе позволить только крупные институты, богатые у ниверситеты или лаборатории ведущих мировых компаний Прогресс в создании доступных компьютеров, графических ускорителей и обычных офисных проекторов позволяет разрабатывать доступные установки ВР Естественный интуитивный интерфейс является важной частью любой системы виртуальной реальности Для создания ощущения полного погружения в виртуальную реальность важной компонентой является система слежения за положением пользователя в установке ВР, а точнее — система слежения за направлением его взгляда Такие системы, отслеживающие перемещения и действия пользователя внутри установки ВР и, как правило, позволяющие ему манипулировать данными, называются системами трекинга Существуют большое разнообразие таких систем, основанных на разных принципах механические, электромагнитные, оптические, ультразвуковые Стоимость самой простой системы трекинга довольно велика, т к большинство таких систем разрабатывалось для сложных и дорогостоящих установок ВР Появление доступных систем виртуальной реальности требует разработки также и доступных систем трекинга, которые удовлетворили бы требованиям пользователей таких установок Использование современных недорогих аппаратных компонент позволяет это сделать Оптические технологии сегодня являются и недорогими, и удовлетворяют требованиям пользователей, но требуют разработки новых методов анализа данных Кроме того, оптическая система может быть более удобна в использовании, т к она не имеет длинных проводов, часто мешающих работе В настоящее вре-
мя широкое применение нашли системы трекинга на основе двух камер Однако такие системы обладают рядом недостатков, таких как невысокая точность и большая вероятность отказа, связанная с проблемой совпадения образов отслеживаемых объектов в одной из камер или невозможностью их разделения В настоящей работе предложено использовать три камеры для решения этих проблем Система трекинга фактически реконструирует в пространстве положение пользователя В этом смысле к системам трекинга близки системы реконструкции геометрии сложных объектов, называемых 3D сканеры Классическое моделирование с помощью измерительных устройств является очень трудоемким процессом и имеет ограниченную точность, что усугубляется сложной формой измеряемого объекта Поэтому задача автоматизации реконструкции сложных объектов является актуальной Как и в слунае С установками ВР, такие сканеры не являются доступными широкому кругу пользователей, поэтому появилась необходимость улучшения качества работы наиболее доступных устройств и реализующих их программных комплексов
Главная цель диссертационной работы — разработка и исследование оптической системы трекинга реального времени и устройства манипулирования данными для установок виртуального окружения В рамках данной работы ставятся следующие задачи
разработать аппаратную платформу системы трекинга, включающую устройства интерактивного манипулирования данными,
разработать метод реконструкции тр\мерных координат многих источников света по их изображениям в нескольких камерах,
создагь алгоритмы на основе выше> ^азанного метода и реализовать их в виде программного обеспечения,
исследовать параметры созданной системы трекинга, провести ее сравнение с другими аналогичными системами и интегрировать с системой виртуальной реальности,
Кроме того, в работе было дополнительно приведено исследование доступного метода реконструкции геометрии сложных трехмерных объектов для использования в приложениях виртуальной реальности Для достижения этой цели ставилась следующая задача
проанализировать доступные методы реконструкции геометрии сложных объектов, применить один из таких методов и улучшить качество его работы
Научная новизна Представленные в диссертации результаты являются оригинальными Разработанная методика реконструкции положения и ориентации объектов в виртуальном окружении отличается от аналогичных методик тем, что применение улучшенных математических моделей позволяет системе иметь лучшие характеристики, чем аналогичные системы, базирующиеся на тех же аппаратных конфигурациях Разработан критерий оценки надежности системы Созданы оригинальные устройства для трекинга Разработаны оригинальные алгоритмы графической
обработки, позволяющие быстро выделять и реконструировать требуемые объекты на изображении Некоторые методы были использованы для улучшения методики восстановления геометрии мраморных статуй, на основе технологии «структурированного света», ранее считавшейся неподходящей для этой задачи В частности, учет оптических искажений камеры и предварительная графическая обработка изображений позволила повысить точность реконструкции
Практическая ценность Созданная автором система трекинга была интегрирована с установкой виртуального окружения VEonPC, установленной в Институте физико-технической информатики в г Москве, а также с установкой типа CAVE Фраунгоферовского института медиакоммуникаций (Санкт Августин, Германия) Данная система трекинга может быть .использована многими лабораториями виртуального окружения в разных установках и конфигурациях Применение доступного оборудования для создания системы позволяет использовать ее даже в недорогих установках, что существенно расширяет круг потенциальных пользователей системы Кроме того, полученные результаты могут быть полезны разработчикам установок виртуального окружения для создания собственных систем трекинга и для их технического анализа с целью сравнения
Автор защищает
Метод реконструкции трехмерных координат с помощью нескольких камер на основе модели проективного преобразования декартовых координат
Алгоритмы, созданные на основе вышеуказанного метода реконструкции, позволяющие одновременно реконструировать и передавать трехмерные координаты нескольких источников света, реализованные в программном комплексе «Трекинг»
Методика исследования параметров оптических систем трекинга, методика анализа и критерий надежности системы
Метод улучшения оптической технологии реконструкции «структурированного света» на основе модели стерео реконструкции и компенсации оптических искажений
Апробация работы. Материал диссертации опубликован в работах [1, 2, 3, 5, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 11], а также докладывался и обсуждался на научных семинарах в Институте физико-технической информатики (Протвино), в Научно-исследовательском вычислительном центре МГУ (Москва), в Институте медиакоммуникаций (Санкт Августин, Германия) и следующих международных конференциях «Системы виртуального окружения на кластерах персональных компьютеров» VEoaPC'2002 (сентябрь 2001, Протвино - Санкт Петербург, Россия) и VEonPC'2003 (сентябрь 2002, Москва - Ханты-Мансийск, Россия), «Пространство виртуальной реальности и ее приложения в промышленности» VRCAI'2004, (июнь 2004, Сингапур) Разработанная система трекинга была продемонстрирована на европейской конференции по
компьютерному видению ECCV2004, (май 2004, Прага, Чехия) Некоторые результаты упоминались в учебном курсе «Введение в обработку изображений и компьютерное видение» ("Introduction to the Image Processing and Computer Vision"), читавшемся в международном центре информационных технологий BIT (Bonn- Aachen Information Center), а также использовались в европейском проекте HUMODAN
Личный вклад автора Автором исследована и разработана система трекинга реального времени, функционирующая на основе созданных автором алгоритмов реконструкции трехмерных координат многих источников света по их изображениям, сделанным несколькими камерами и алгоритмов быстрого анализа изображений для поиска «световых пятен», разработаны устройства интерактивного взаимодействия со средой виртуальной реальности, разработана методика анализа работы оптической системы трекинга, включающая анализ надежности системы, улучшено качество работы оптической технологии «структуриоованного света» при восстановлении геометрии сложных объектов На базе разработанных алгоритмов и методик созданы соответствующие программные модули
Структура диссертации Диссертационная работа изложена на 116 страницах, состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 57 рисунков, 6 таблиц и список цитируемой литературы, содержащий 118 наименований
