摘 要

本文在现有的人体头部姿态测量方法的基础上，提出一种单目视觉测量方法与几何方法适当结合的人体头部三维姿态测量方法，由此来测量头部三维姿态信息。本文设计了一套头部三维姿态变化测量系统，该系统通过设计的特殊排布LED面阵来提高测量精度，能够对成像后的LED点坐标进行提取，并根据结果结算头部姿态变化，识别特殊动作，实现人机交互。

首先建立坐标系系统，即像素像平面坐标系、毫米像平面坐标系、摄像机坐标系和世界坐标系，然后进行单目标定，获得摄像机的内部参数，接着用该摄像机拍摄特殊排布的LED面阵，再对获得的图像进行图像处理，得到图像中LED灯的中心坐标，即LED灯在像素像平面坐标系下的坐标，而LED灯在世界坐标系下的坐标已知，通过分析计算像素像平面坐标系与世界坐标系的转化关系可得到旋转矩阵和平移矩阵，即获得了LED灯在空间中的位置变化，从而实现了头部姿态测量。

经过试验验证表明，本文设计的头部三维姿态变化测量系统能够测量出靶板在三维空间中的位置变化（头部三维姿态的变化），误差在2度以内。

关键词：单目视觉 ；图像处理；旋转矩阵；头部姿态变化

Abstract

This paper presents a monocular vision measurement method and geometric method based on combination of human head 3D pose measurement method based on the existing human head pose measurement method based on, based on which the dynamic measurement of the head pose information. In this paper, a set of 3D pose measurement system for head is designed. The system through the design of the special arrangement of LED array to simulated human head and can extract image LED point coordinates, and according to the results of the settlement with head pose variation, identify special action, to achieve human-computer interaction.

Firstly, the coordinate system is established, which is the pixel image plane coordinate system, the millimeter image plane coordinate system, the camera coordinate system and the world coordinate system. Then single camera calibration, obtained the internal parameters of the camera. After that, the camera shooting special arrangement of LED array. Afterwards get the image processing, the image of the LED lights in the center of the coordinates, which is like a LED lamp in the pixel coordinate plane coordinates. And LED lights in the world coordinate system of known coordinates, through the analysis of computing pixel image coordinates and the world coordinates transformation to obtain the rotation matrix and translation matrix, which won the LED lamp changes position in space, so as to realize the head pose measurement.

The test results show that the design of the head of the three-dimensional attitude measurement system can measure the target board in the three-dimensional space of the change of position (the head of the three-dimensional attitude change), the error within 1 degrees.

Key words: monocular vision; image processing; rotation matrix; head pose variation

目录

第1章 绪论 1

1.1目的及意义 1

1.2国内外研究现状的分析 1

1.3解决的工程问题 3

1.4对客观世界的影响分析 3

1.5相关的政策与法规 3

第2章 方案设计 4

2.1概述 4

2.2模型与坐标系统 5

2.2.1 PNP问题 5

2.2.2坐标系系统 6

2.2.3小孔成像模型 6

2.3图像处理与分析 7

2.4算法设计 8

第3章 图像处理与分析 13

3.1概述 13

3.2图像预处理 13

3.3区域提取 15

3.4求象点中心 15

第4章 摄像机单目标定 17

4.1摄像机单目标定方法的选取 17

4.2标定步骤 17

4.3标定结果 17

第5章 系统测试与误差分析 19

5.1系统测试过程 19

5.2系统测试结果 19

5.3误差分析 20

5.3.1系统硬件方面误差 20

5.3.2系统算法方面误差 20

第6章 总结与展望 22

参考文献 23

致谢 25

第1章 绪论

1.1目的及意义

头部是人体最引人注目也是最重要的部位。而人体头部姿态、人脸部的表情和运动等信息在人们间的交流中起着非常重要的作用。很多时候甚至可以根据对人体头部姿态等信息进行测量并分析从而对人的行为心理活动做出判断。人体头部姿态测量研究越来越成为人机交互等领域的热点。

日常生活中，人们可以通过头部的朝向转动、脸部的表情等头部姿态的变化来进行交流。因为这种头部姿态的交流形式提供了实用并丰富的信息，能使人们更好地进行交流，所以很早以来，人们就开始喜欢然后慢慢习惯这种交流形式。这种交流方式很容易被人们理解，却难以被计算机等机器理解。人体头部运动因为人体头颈部的骨骼肌肉的独特性而相当复杂^[1]，所以人体头部姿态的测量在人机交互等领域是一个难题。