雙目立體視覺原理大揭秘（一）

——雙目視覺導(dǎo)航、定位；

雙目立體視覺是一門有著廣闊應(yīng)用前景的學(xué)科，隨著光學(xué)、電子學(xué)以及計算機技術(shù)的發(fā)展，將不斷進(jìn)步，逐漸實用化，不僅將成為工業(yè)檢測、生物醫(yī)學(xué)、虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，還有可能應(yīng)用于航天遙測、軍事偵察等領(lǐng)域。目前在國外，雙目體視技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生 活中。雙目立體視覺是計算機視覺的一個重要分支，單從雙目視覺的應(yīng)用來說，主要分為四大部分：

一 、雙目視覺導(dǎo)航、定位。

二、 三維重構(gòu)。

三 、雙目立體測量。

四 、空間三維立體跟蹤。

很多科研項目或工業(yè)現(xiàn)場需要用雙目視覺來解決問題時，很多人都不知道該從哪里著手。其實只要理解了雙目視覺的基本原理，以上應(yīng)用都是大同小異的事情。本文僅從“基于雙目視覺的導(dǎo)航、定位”方面講述其基本原理及實現(xiàn)過程。

雙目視覺的基本原理就是模擬人眼并利用空間幾何模型推導(dǎo)出相應(yīng)的算法來解決實際問題。再說白一點，雙目視覺zui基本的目的就是從復(fù)雜的客觀世界中提取出我們感興趣的“點”、“線”、“面”，再用數(shù)字來描述，從而的理解并控制它們。這個原理里面包含三大部分內(nèi)容：

下面以機器人導(dǎo)航應(yīng)用為例進(jìn)行說明，在這個應(yīng)用中需要做的事情就是告訴機器人：在它的前方有障礙物、還要告訴它該障礙物在機器人的導(dǎo)航坐標(biāo)系中的位置信息。這樣機器人才能做出判斷并進(jìn)行規(guī)避。實現(xiàn)這個功能的時候，就包含了以下三部分內(nèi)容。

*、提取感興趣的點（特征檢測）。就是把我們感興趣的物體分割出來，針對導(dǎo)航、定位來說就是把機器人前面的障礙物找到。這種應(yīng)用在特征點提取這部分的特點是：需要提取的特征點較少、提取速度要求高。具體速度需要根據(jù)機器人的總體精度來衡量。一般來說一秒鐘至少要給機器人5個以上的信號，也就是說每秒至少采集5幀以上的圖像并分別處理。

在這個過程中，首先必須得提取到障礙物的信息，我們很容易想到可以給機器人上面安裝一個攝像頭來對前方的道路情況進(jìn)行拍攝。但是如果是用一個攝像頭，我們只能得到障礙物的平面信息，也就是X、Y坐標(biāo)信息，機器人并不知道應(yīng)該再走多遠(yuǎn)才能實施避障動作。所以我們需要再加一個攝像頭從另外的角度去拍攝這個障礙物。這樣一來就能得到2張從不同角度來描述該障礙物的圖片了。然后再加入一些合適的預(yù)處理算法（圖像處理），比如二值化、邊緣提取、特征點去噪（需要根據(jù)具體的場景，選擇合適的算法）等把兩張圖片中的障礙物提取、分割出來。這樣就完成了特征點提取，為下一步“化數(shù)字描述”做好了基礎(chǔ)。

第二、化數(shù)字描述（立體匹配、姿態(tài)測量）。這部分指的是分割出障礙物的特征點以后需要用有效的數(shù)值來描述，在雙目視覺系統(tǒng)中當(dāng)然就是用三維坐標(biāo)來描述了。如果在安裝好雙目相機的同時還進(jìn)行了單目相機標(biāo)定和雙目相機標(biāo)定（見第三部分），確認(rèn)了雙相機、鏡頭的參數(shù)矩陣，得到平移向量和旋轉(zhuǎn)矩陣。那么根據(jù)雙目立體匹配原理帶入就可以得出該障礙物的三維坐標(biāo)值了。把該三維坐標(biāo)值輸入機器人控制系統(tǒng)，機器人就可以智能的實現(xiàn)避障了。

在這部分中用到了“立體匹配”算法，其實該算法是和雙目標(biāo)定相結(jié)合，該算法根據(jù)特征點在左右圖像中的坐標(biāo)點進(jìn)行基礎(chǔ)矩陣的計算并將左右圖像的同名坐標(biāo)點一一對應(yīng)。在這個過程中用到的“平移向量”和“旋轉(zhuǎn)矩陣”就是下一步雙目標(biāo)定中給出的參數(shù)。

第三、雙目標(biāo)定。雙目標(biāo)定就是利用已知世界坐標(biāo)系（標(biāo)定板）和圖像坐標(biāo)系（對標(biāo)定板圖像處理后結(jié)果）的對應(yīng)關(guān)系，計算出雙目相機在當(dāng)前位置關(guān)系下的參數(shù)信息。標(biāo)定完成后，用該雙目系統(tǒng)去觀測未知世界坐標(biāo)系時就可以得到其三維信息了。事實上，在雙目標(biāo)定前，還需要對每個相機做單相機標(biāo)定，以確定其畸變系數(shù)、相機內(nèi)參矩陣等。這樣做的目的是為了使左右相機獲取到的圖像都能校正為標(biāo)準(zhǔn)圖像后再進(jìn)行處理。

一般來說，只要涉及到的是雙目項目，這一步是通用的且是*的。針對不用應(yīng)用，只是在獲取到具體的世界坐標(biāo)體系的時候再做不同的處理即可。關(guān)于這方面的內(nèi)容可以去試試CCAS雙目視覺軟件，感興趣的朋友可以去網(wǎng)上找找相關(guān)資料。

事實上，雙目立體視覺的算法研究順序應(yīng)該是先雙目標(biāo)定、再立體匹配、zui后進(jìn)行特征點檢測。本文為了讓讀者易于理解，所以先講結(jié)果、再講原因。后續(xù)再講三維重構(gòu)、三維測量及空間跟蹤應(yīng)用。