雙目立體視覺(jué)原理大揭秘（一）

——雙目視覺(jué)導(dǎo)航、定位；

雙目立體視覺(jué)是一門(mén)有著廣闊應(yīng)用前景的學(xué)科，根據(jù)雙目立體視覺(jué)CCAS提供的思路及組成原理，隨著光學(xué)、電子學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將不斷進(jìn)步，逐漸實(shí)用化，不僅將成為工業(yè)檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，還有可能應(yīng)用于航天遙測(cè)、軍事偵察等領(lǐng)域。目前在國(guó)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(jué)是計(jì)算機(jī)視覺(jué)的一個(gè)重要分支，單從雙目視覺(jué)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，主要分為四大部分：

一 雙目視覺(jué)導(dǎo)航、定位；

二 三維重構(gòu)；

三 雙目立體測(cè)量；

四 空間三維立體跟蹤。

很多科研項(xiàng)目或工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需要用雙目視覺(jué)來(lái)解決問(wèn)題時(shí)，很多人都不知道該從哪里著手。其實(shí)只要理解了雙目視覺(jué)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(jué)的導(dǎo)航、定位”方面講述其基本原理及實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

雙目視覺(jué)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(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。再說(shuō)白一點(diǎn)，雙目視覺(jué)最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(diǎn)”、“線”、“面”，再用數(shù)字來(lái)描述，從而精確的理解并控制它們。這個(gè)原理里面包含三大部分內(nèi)容：

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

第一、提取感興趣的點(diǎn)（特征檢測(cè)）。就是把我們感興趣的物體分割出來(lái)，針對(duì)導(dǎo)航、定位來(lái)說(shuō)就是把機(jī)器人前面的障礙物找到。這種應(yīng)用在特征點(diǎn)提取這部分的特點(diǎn)是：需要提取的特征點(diǎn)較少、提取速度要求高。具體速度需要根據(jù)機(jī)器人的總體精度來(lái)衡量。一般來(lái)說(shuō)一秒鐘至少要給機(jī)器人5個(gè)以上的信號(hào)，也就是說(shuō)每秒至少采集5幀以上的圖像并分別處理。

在這個(gè)過(guò)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(jī)器人上面安裝一個(gè)攝像頭來(lái)對(duì)前方的道路情況進(jìn)行拍攝。但是如果是用一個(gè)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(jī)器人并不知道應(yīng)該再走多遠(yuǎn)才能實(shí)施避障動(dòng)作。所以我們需要再加一個(gè)攝像頭從另外的角度去拍攝這個(gè)障礙物。這樣一來(lái)就能得到2張從不同角度來(lái)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(diǎn)去噪（需要根據(jù)具體的場(chǎng)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(lái)。這樣就完成了特征點(diǎn)提取，為下一步“精確化數(shù)字描述”做好了基礎(chǔ)。

第二、精確化數(shù)字描述（立體匹配、姿態(tài)測(cè)量）。這部分指的是分割出障礙物的特征點(diǎn)以后需要用有效的數(shù)值來(lái)描述，在雙目視覺(jué)系統(tǒng)中當(dāng)然就是用三維坐標(biāo)來(lái)描述了。如果在安裝好雙目相機(jī)的同時(shí)還進(jìn)行了單目相機(jī)標(biāo)定和雙目相機(jī)標(biāo)定（見(jiàn)第三部分），確認(rèn)了雙相機(jī)、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(jī)器人控制系統(tǒng)，機(jī)器人就可以智能的實(shí)現(xiàn)避障了。

在這部分中用到了“立體匹配”算法，其實(shí)該算法是和雙目標(biāo)定相結(jié)合，該算法根據(jù)特征點(diǎn)在左右圖像中的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行基礎(chǔ)矩陣的計(jì)算并將左右圖像的同名坐標(biāo)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。在這個(gè)過(guò)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(duì)標(biāo)定板圖像處理后結(jié)果）的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出雙目相機(jī)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(cè)未知世界坐標(biāo)系時(shí)就可以得到其三維信息了。事實(shí)上，在雙目標(biāo)定前，還需要對(duì)每個(gè)相機(jī)做單相機(jī)標(biāo)定，以確定其畸變系數(shù)、相機(jī)內(nèi)參矩陣等。這樣做的目的是為了使左右相機(jī)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(lái)說(shuō)，只要涉及到的是雙目項(xiàng)目，這一步是通用的且是必不可少的。針對(duì)不同應(yīng)用，只是在獲取到具體的世界坐標(biāo)體系的時(shí)候再做不同的處理即可。非常感謝CCAS雙目視覺(jué)軟件對(duì)我們研究解析的大力支持，關(guān)于這方面的內(nèi)容可以去試試CCAS雙目視覺(jué)軟件，感興趣的朋友可以去網(wǎng)上找找相關(guān)資料。

事實(shí)上，雙目立體視覺(jué)的算法研究順序應(yīng)該是先雙目標(biāo)定、再立體匹配、最后進(jìn)行特征點(diǎn)檢測(cè)。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(cè)量及空間跟蹤應(yīng)用。