一篇文章帶你認(rèn)識《雙目立體視覺》

前言

雙目立體視覺，由兩個攝像頭組成，像人的眼睛能看到三維的物體，獲取物體長度、寬度信息，和深度的信息；單目視覺獲取二維的物體信息，即長度、寬度。

1）雙目攝像頭

常見的雙目攝像頭有以下幾款：

能看到不同類型的雙目攝像頭，左攝像頭和右攝像頭之間的距離不一樣。

2）雙目相機(jī)基線

基線越大，測量范圍越遠(yuǎn)；基線越小，測量范圍越近。

建議：

（1）基線距B是工作距離的08-2.2倍時(shí)測量誤差比較??；

（2）雙目立體視覺的結(jié)構(gòu)對稱時(shí)，測量系統(tǒng)的誤差比較小，精度也比較高。

（3）兩臺相機(jī)的有效焦距∫越大，視場越小，視覺測量系統(tǒng)的測量精度越高（即采用長焦距鏡頭容易獲得較高的測量精度）

出自博士論文 基于雙目視覺的空間非合作目標(biāo)姿態(tài)測量技術(shù)研究。顏坤

3）打開雙目攝像頭

在OpenCV用使用雙目攝像頭，包括：打開單目攝像頭、設(shè)置攝像頭參數(shù)、拍照、錄制視頻。

環(huán)境

編程語言：Python3 主要依賴庫：OpenCV3.x 或 OpenCV4.x

雙目同步攝像頭，兩個鏡頭共用一個設(shè)備ID，左右攝像機(jī)同一頻率。這款攝像頭分辨率支持2560*960或以上。

思路流程

1、由于兩個鏡頭共用一個設(shè)備ID，打開攝像頭時(shí)使用cv2.VideoCapture（）函數(shù)，只需打開一次。區(qū)別有的雙目攝像頭是左右鏡頭各用一個設(shè)備ID，需要打開兩次cv2.VideoCapture（0），cv2.VideoCapture（1）。

2、雙目攝像頭的總分辨率是由左右鏡頭組成的，比如：左右攝像機(jī)總分辨率1280x480；分割為左相機(jī)640x480、右相機(jī)640x480

為了方便理解畫了張草圖；圖中的“原點(diǎn)”是圖像像素坐標(biāo)系的原點(diǎn)。

3、分割后，左相機(jī)的分辨率：高度 0:480、寬度 0:640

右相機(jī)的分辨率：高度 0:480、寬度 640:1280

4、轉(zhuǎn)換為代碼后

# 讀取攝像頭數(shù)據(jù)

ret， frame = camera.read（）

#裁剪坐標(biāo)為［y0:y1， x0:x1］ HEIGHT * WIDTH

left_frame = frame［0:480， 0:640］

right_frame = frame［0:480， 640:1280］

cv2.imshow（“l(fā)eft”， left_frame）

cv2.imshow（“right”， right_frame）

源代碼

舉個栗子：打開分辨率1280x480的雙目攝像頭

# -*- coding： utf-8 -*-

import cv2

import time

AUTO = False # 自動拍照，或手動按s鍵拍照

INTERVAL = 2 # 自動拍照間隔

cv2.namedWindow（“l(fā)eft”）

cv2.namedWindow（“right”）

camera = cv2.VideoCapture（0）

# 設(shè)置分辨率 左右攝像機(jī)同一頻率，同一設(shè)備ID；左右攝像機(jī)總分辨率1280x480；分割為兩個640x480、640x480

camera.set（cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH，1280）

camera.set（cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT，480）

counter = 0

utc = time.time（）

folder = “。/SaveImage/” # 拍照文件目錄

def shot（pos， frame）：

global counter

path = folder + pos + “_” + str（counter） + “.jpg”

cv2.imwrite（path， frame）

print（“snapshot saved into： ” + path）

while True：

ret， frame = camera.read（）

# 裁剪坐標(biāo)為［y0:y1， x0:x1］ HEIGHT*WIDTH

left_frame = frame［0:480， 0:640］

right_frame = frame［0:480， 640:1280］

cv2.imshow（“l(fā)eft”， left_frame）

cv2.imshow（“right”， right_frame）

now = time.time（）

if AUTO and now - utc 》= INTERVAL：

shot（“l(fā)eft”， left_frame）

shot（“right”， right_frame）

counter += 1

utc = now

key = cv2.waitKey（1）

if key == ord（“q”）：

break

elif key == ord（“s”）：

shot（“l(fā)eft”， left_frame）

shot（“right”， right_frame）

counter += 1

camera.release（）

cv2.destroyWindow（“l(fā)eft”）

cv2.destroyWindow（“right”）

補(bǔ)充理解

OpenCV有VideoCapture（）函數(shù)，能用來定義“攝像頭”對象，0表示第一個攝像頭（一般是電腦內(nèi)置的攝像頭）；如果有兩個攝像頭，第二個攝像頭則對應(yīng)VideoCapture（1）。

在while循環(huán)中使用“攝像頭對象”的read（）函數(shù)一幀一幀地讀取攝像頭畫面數(shù)據(jù)。

imshow函數(shù)是顯示攝像頭的某幀畫面；cv2.waitKey（1）是等待1ms，如果期間檢測到了鍵盤輸入q，則退出while循環(huán)。

效果

4）雙目測距

原理

視差disparity

極線約束

極線校正/立體校正

雙目測距流程：

a.雙目標(biāo)定

b.雙目矯正

c.立體匹配

d.雙目測距（三角測量）

e.測距效果

原理

通過對兩幅圖像視差的計(jì)算，直接對圖像所拍攝到的范圍進(jìn)行距離測量，無需判斷前方出現(xiàn)的是什么類型的障礙物。

視差disparity

首先看一組視覺圖：左相機(jī)圖和右相機(jī)圖不是完全一致的，通過計(jì)算兩者的差值，形成視差，生成視差圖（也叫：深度圖）

視差是同一個空間點(diǎn)在兩個相機(jī)成像中對應(yīng)的x坐標(biāo)的差值；

它可以通過編碼成灰度圖來反映出距離的遠(yuǎn)近，離鏡頭越近的灰度越亮；

我們觀察一下，看到臺燈在前面，離雙目相機(jī)比較近，在灰度圖呈現(xiàn)比較亮；攝影機(jī)及支架在后方，離雙目相機(jī)比較遠(yuǎn)，在灰度圖呈現(xiàn)比較暗。

補(bǔ)充理解：

由立體視覺系統(tǒng)測量的深度被離散成平行平面 （每個視差值一個對應(yīng)一個平面）

給定具有基線 b 和焦距 f 的立體裝備， 系統(tǒng)的距離場受視差范圍［dmin ，dmax］的約束。

極線約束

極線約束（Epipolar Constraint）是指當(dāng)空間點(diǎn)在兩幅圖像上分別成像時(shí)，已知左圖投影點(diǎn)p1，那么對應(yīng)右圖投影點(diǎn)p2一定在相對于p1的極線上，這樣可以極大的縮小匹配范圍。

標(biāo)準(zhǔn)形式的雙目攝像頭，左右相機(jī)對齊，焦距相同。

如果不是標(biāo)準(zhǔn)形式的雙目攝像頭呢？哦，它是是這樣的：（需要 極線校正/立體校正）

極線校正/立體校正

雙目測距流程：

相機(jī)標(biāo)定（獲取內(nèi)參+外參）

雙目矯正（矯正鏡頭變形圖像）

雙目立體匹配（生成視差圖 Disparity map）

計(jì)算深度信息（生成深度圖 Depth map）

計(jì)算距離

a.雙目標(biāo)定

主要是獲取內(nèi)參（左攝像頭內(nèi)參+右攝像頭內(nèi)參）、外參（左右攝像頭之間平移向量+旋轉(zhuǎn)矩陣）

標(biāo)定過程：

詳細(xì)過程請參考：雙目視覺 標(biāo)定+矯正 （基于MATLAB）

b.雙目矯正

消除鏡頭變形，將立體相機(jī)對轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)形式

c.立體匹配

尋找左右相機(jī)對應(yīng)的點(diǎn)（同源點(diǎn)）

d.雙目測距（三角測量）

給定視差圖、基線和焦距，通過三角計(jì)算在3D中對應(yīng)的位置

雙目測距原理

C++版代碼請參考：雙目 機(jī)器視覺-- 測距

Python版代碼：看看大家情況，如果需要的，我抽時(shí)間完成分享給大家（BM、SGBM算法等）

e.測距效果

彩蛋：雙目立體匹配（重點(diǎn)）

立體匹配是雙目立體視覺中比較重要的一環(huán)，往往這里做研究和優(yōu)化。

a.立體匹配流程

b.匹配代價(jià)計(jì)算

代價(jià)函數(shù)用于計(jì)算左、右圖中兩個像素之間的匹配代價(jià)（cost）。 cost越大，表示這兩個像素為對應(yīng)點(diǎn)的可能性越低。

常用代價(jià)函數(shù)

AD/BT

AD+Gradient

Census transform

SAD/SSD

NCC

AD+Census

CNN

c.立體匹配

端到端視差計(jì)算網(wǎng)絡(luò)

? Disp-Net （2016）

? GC-Net （2017）

? iRestNet （2018）

? PSM-Net （2018）

? Stereo-Net （2018）

? GA-Net （2019）

? EdgeStereo （2020）

\

立體視覺方法評測網(wǎng)站

ETH3D https://www.eth3d.net/

Kitti Stereo http://www.cvlibs.net/datasets/kitti/eval_scene_flow.php？benchmark=stereo

Middlebury Stereo 3.0 https://vision.middlebury.edu/stereo/eval3/

如果大家對端到端視差計(jì)算網(wǎng)絡(luò)感興趣，需要開源代碼跑通教程和介紹，也考慮分享大家，主要看大家意愿了。

雙目測距總結(jié)

優(yōu)勢

（1）成本比單目系統(tǒng)要高，但尚處于可接受范圍內(nèi)，并且與激光雷達(dá)等方案相比成本較低；

（2）沒有識別率的限制，因?yàn)閺脑砩蠠o需先進(jìn)行識別再進(jìn)行測算，而是對所有障礙物直接進(jìn)行測量；

（3）直接利用視差計(jì)算距離，精度比單目高；

（4）無需維護(hù)樣本數(shù)據(jù)庫，因?yàn)閷τ陔p目沒有樣本的概念。

難點(diǎn)

（1）計(jì)算量大，對計(jì)算單元的性能要求高，這使得雙目系統(tǒng)的產(chǎn)品化、小型化的難度較；（芯片或FPGA）

（2）雙目的配準(zhǔn)效果，直接影響到測距的準(zhǔn)確性；

（3）對環(huán)境光照非常敏感；（光照角度、光照強(qiáng)度）

（4）不適用于單調(diào)缺乏紋理的場景；（天空、白墻、沙漠）

（5）相機(jī)基線限制了測量范圍。（基線越大，測量范圍越遠(yuǎn)；基線越小，測量范圍越近）

編輯：jq