基于元胞自動機的增強現(xiàn)實標記識別算法

增強現(xiàn)實系統(tǒng) 中標記識別一直是增強現(xiàn)實系統(tǒng)的瓶頸，占用了系統(tǒng)處理的大部分時間，即使采用規(guī)則幾何形式的標記，對于實時要求很高的增強現(xiàn)實系統(tǒng)而言，其識別算法的效果和實時性也是不理想的，因此提出了一種利用應用元胞自動機模型，利用給定的演化規(guī)則，改進在增強現(xiàn)實系統(tǒng)中標記識別的算法，并在ARTOOLKIT系統(tǒng)中做了具體實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明，改進的算法的實時性和識別效果均有了很大的提高。

　　0 引 言

　　增強現(xiàn)實技術(augmentedreality，AR)，是隨著虛擬現(xiàn)實技術(virtual reality，VR)迅速發(fā)展和實際應用需要而出現(xiàn)的一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術。增強現(xiàn)實系統(tǒng)是使用了增強現(xiàn)實技術的應用系統(tǒng)。其重要特點的有：用戶擁有沉浸感，虛擬環(huán)境與實際環(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備直接與虛擬物體或虛擬環(huán)境進行交互：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)、人機接口、三維注冊、頭盔顯示等方面。利用標記實現(xiàn)虛擬物體的精確注冊已經(jīng)是一種較成熟的技術了，并在室內(nèi)、室外到移動應用等環(huán)境都得到了廣范應用。其中標記識別一直是增強現(xiàn)實系統(tǒng)的瓶頸，占用了系統(tǒng)處理的大部分時間，即使采用規(guī)則幾何形式的標記，對于實時要求很高的增強現(xiàn)實系統(tǒng)而言其識別算法的結(jié)果和 實時性也 是不理想的。

　　元胞自動機(cellular automata，CA)是一時間和空間都離散的動力系統(tǒng)。散布在規(guī)則格網(wǎng)中的每一元胞(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)成動態(tài)系統(tǒng)的演化。不同于一般的動力學模型，元胞自動機不是由嚴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機模型。因此，元胞自動機是一類模型的總稱，或者說是一個方法框架。其特點是時間、空間、狀態(tài)都離散，每個變量只取有限多個狀態(tài)，且其狀態(tài)改變的規(guī)則在時間和空間上都是局部的。

　　1 傳統(tǒng)識別算法

　　視覺標記的識別過程包括輸入圖像、輸出圖像標記的包圍框和特征點的坐標。這個過程的設計要求是具有較好的精度，滿足實時性要求，其中實時性要比精度更重要一些。標記的識別中，一般可以利用的信息是標記的邊緣信息、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 技術獲得標志包圍，再經(jīng)過種子填充和幾何限制等手段取得特征點集合。

　　2 采用CA模型的算法

　　CA識別算法如圖2所示，可見算法的效率高低取決于CA模 的設計。本文采用的CA模 犁如下：

　　2．1 元胞空間

　　假設元胞空間由二維 M*N個像素構(gòu)成。并假設是時間同步的。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。含有標記的視頻圖像如圖3所示。

　　鄰居模式采用摩爾型。每個元胞構(gòu)成如下：每個元胞由4個分量構(gòu)成：GCell(c,p，e，v)，其中C表示灰度，為簡單起見，先利用閥值進行了二值化，得到 0或 1。要注意在其過程中消除孤立點 ，不然會影 響識別效果 。P表示是 否是邊緣點，如 是邊緣點則為 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 ，如是 則為 1，否 則為 0；i表示是否 為標記內(nèi)部特征點，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