基于元胞自動(dòng)機(jī)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)標(biāo)記識(shí)別算法

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 中標(biāo)記識(shí)別一直是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的瓶頸，占用了系統(tǒng)處理的大部分時(shí)間，即使采用規(guī)則幾何形式的標(biāo)記，對(duì)于實(shí)時(shí)要求很高的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)而言，其識(shí)別算法的效果和實(shí)時(shí)性也是不理想的，因此提出了一種利用應(yīng)用元胞自動(dòng)機(jī)模型，利用給定的演化規(guī)則，改進(jìn)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中標(biāo)記識(shí)別的算法，并在ARTOOLKIT系統(tǒng)中做了具體實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)的算法的實(shí)時(shí)性和識(shí)別效果均有了很大的提高。

　　0 引 言

　　增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(augmentedreality，AR)，是隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(virtual reality，VR)迅速發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用需要而出現(xiàn)的一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無(wú)縫”集成的新技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是使用了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)。其重要特點(diǎn)的有：用戶擁有沉浸感，虛擬環(huán)境與實(shí)際環(huán)境融為一體，幾乎感覺(jué)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(guò)交互設(shè)備直接與虛擬物體或虛擬環(huán)境進(jìn)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(jī)接口、三維注冊(cè)、頭盔顯示等方面。利用標(biāo)記實(shí)現(xiàn)虛擬物體的精確注冊(cè)已經(jīng)是一種較成熟的技術(shù)了，并在室內(nèi)、室外到移動(dòng)應(yīng)用等環(huán)境都得到了廣范應(yīng)用。其中標(biāo)記識(shí)別一直是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的瓶頸，占用了系統(tǒng)處理的大部分時(shí)間，即使采用規(guī)則幾何形式的標(biāo)記，對(duì)于實(shí)時(shí)要求很高的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)而言其識(shí)別算法的結(jié)果和 實(shí)時(shí)性也 是不理想的。

　　元胞自動(dòng)機(jī)(cellular automata，CA)是一時(shí)間和空間都離散的動(dòng)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(guò)簡(jiǎn)單的相互作用而構(gòu)成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的演化。不同于一般的動(dòng)力學(xué)模型，元胞自動(dòng)機(jī)不是由嚴(yán)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(dòng)機(jī)模型。因此，元胞自動(dòng)機(jī)是一類模型的總稱，或者說(shuō)是一個(gè)方法框架。其特點(diǎn)是時(shí)間、空間、狀態(tài)都離散，每個(gè)變量只取有限多個(gè)狀態(tài)，且其狀態(tài)改變的規(guī)則在時(shí)間和空間上都是局部的。

　　1 傳統(tǒng)識(shí)別算法

　　視覺(jué)標(biāo)記的識(shí)別過(guò)程包括輸入圖像、輸出圖像標(biāo)記的包圍框和特征點(diǎn)的坐標(biāo)。這個(gè)過(guò)程的設(shè)計(jì)要求是具有較好的精度，滿足實(shí)時(shí)性要求，其中實(shí)時(shí)性要比精度更重要一些。標(biāo)記的識(shí)別中，一般可以利用的信息是標(biāo)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(shù)獲得標(biāo)志包圍，再經(jīng)過(guò)種子填充和幾何限制等手段取得特征點(diǎn)集合。

　　2 采用CA模型的算法

　　CA識(shí)別算法如圖2所示，可見(jiàn)算法的效率高低取決于CA模 的設(shè)計(jì)。本文采用的CA模 犁如下：

　　2．1 元胞空間

　　假設(shè)元胞空間由二維 M*N個(gè)像素構(gòu)成。并假設(shè)是時(shí)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(diǎn)的狀態(tài)值(也即灰度值)。對(duì)于k值圖像，( 在狀態(tài)集取值。含有標(biāo)記的視頻圖像如圖3所示。

　　鄰居模式采用摩爾型。每個(gè)元胞構(gòu)成如下：每個(gè)元胞由4個(gè)分量構(gòu)成：GCell(c,p，e，v)，其中C表示灰度，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，先利用閥值進(jìn)行了二值化，得到 0或 1。要注意在其過(guò)程中消除孤立點(diǎn) ，不然會(huì)影 響識(shí)別效果 。P表示是 否是邊緣點(diǎn)，如 是邊緣點(diǎn)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(diǎn) ，如是 則為 1，否 則為 0；i表示是否 為標(biāo)記內(nèi)部特征點(diǎn)，如是則為 1，否則為0。采用二值表示，簡(jiǎn)化了操作。系統(tǒng)初始矩陣如下