雙目立體視覺技術(shù)簡(jiǎn)介

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1、雙目立體視覺技術(shù)簡(jiǎn)介1.什么是視覺視覺是一個(gè)古老的研究課題，同時(shí)又是人類觀察世界、認(rèn)知世界的重要功能和手段。人類從外界獲得的信息約有75%來自視覺系統(tǒng)，用機(jī)器模擬人類的視覺功能是人們多年的夢(mèng)想。視覺神經(jīng)生理學(xué)，視覺心里學(xué)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能等學(xué)科的發(fā)展，為利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)模擬人類的視覺成為可能。在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，計(jì)算機(jī)視覺正成為一種提高生產(chǎn)效率和檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一，如機(jī)器零件的自動(dòng)檢測(cè)、智能機(jī)器人控制、生產(chǎn)線的自動(dòng)監(jiān)控等;在國(guó)防和航天等領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)視覺也具有較重要的意義，如運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤與識(shí)別、自

2、主車導(dǎo)航及空間機(jī)器人的視覺控制等。人類視覺過程可以看作是一個(gè)從感覺到知覺的復(fù)雜過程，從狹義上來說視覺的最終目的是要對(duì)場(chǎng)景作出對(duì)觀察者有意義的解釋和描述；從廣義上說，是根據(jù)周圍的環(huán)境和觀察者的意愿，在解釋和描述的基礎(chǔ)上做出行為規(guī)劃或行為決策。計(jì)算機(jī)視覺研究的目的使計(jì)算機(jī)具有通過二維圖像信息來認(rèn)知三維環(huán)境信息的能力，這種能力不僅使機(jī)器能感知三維環(huán)境中物體的幾何信息(如形狀、位置、姿態(tài)運(yùn)動(dòng)等)，而且能進(jìn)一步對(duì)它們進(jìn)行描述、存儲(chǔ)、識(shí)別與理解，計(jì)算機(jī)視覺己經(jīng)發(fā)展起一套獨(dú)立的計(jì)算理論與算法。2.什么是計(jì)算機(jī)雙目立體視覺雙目立體視覺(BinocularStereoV

3、ision)是機(jī)器視覺的一種重要形式，它是基于視差原理并利用成像設(shè)備從不同的位置獲取被測(cè)物體的兩幅圖像，通過計(jì)算圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的位置偏差，來獲取物體三維幾何信息的方法。融合兩只眼睛獲得的圖像并觀察它們之間的差別，使我們可以獲得明顯的深度感，建立特征間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將同一空間物理點(diǎn)在不同圖像中的映像點(diǎn)對(duì)應(yīng)起來，這個(gè)差別，我們稱作視差(Disparity)圖像，如圖一。圖一、視差（Disparity）圖像雙目立體視覺測(cè)量方法具有效率高、精度合適、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于制造現(xiàn)場(chǎng)的在線、非接觸產(chǎn)品檢測(cè)和質(zhì)量控制。對(duì)運(yùn)動(dòng)物體（包括動(dòng)物和人體形體）測(cè)量

4、中，由于圖像獲取是在瞬間完成的，因此立體視覺方法是一種更有效的測(cè)量方法。雙目立體視覺系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)視覺的關(guān)鍵技術(shù)之一，獲取空間三維場(chǎng)景的距離信息也是計(jì)算機(jī)視覺研究中最基礎(chǔ)的內(nèi)容。雙目立體視覺的開創(chuàng)性工作始于上世紀(jì)的60年代中期。美國(guó)MIT的Roberts通過從數(shù)字圖像中提取立方體、楔形體和棱柱體等簡(jiǎn)單規(guī)則多面體的三維結(jié)構(gòu)，并對(duì)物體的形狀和空間關(guān)系進(jìn)行描述，把過去的簡(jiǎn)單二維圖像分析推廣到了復(fù)雜的三維場(chǎng)景，標(biāo)志著立體視覺技術(shù)的誕生。隨著研究的深入，研究的范圍從邊緣、角點(diǎn)等特征的提取，線條、平面、曲面等幾何要素的分析，直到對(duì)圖像明暗、紋理、運(yùn)動(dòng)和成像幾何等進(jìn)行

5、分析，并建立起各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和推理規(guī)則。特別是上世紀(jì)80年代初，Marr首次將圖像處理、心理物理學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)和臨床精神病學(xué)的研究成果從信息處理的角度進(jìn)行概括，創(chuàng)立了視覺計(jì)算理論框架。這一基本理論對(duì)立體視覺技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了極大的推動(dòng)作用，在這一領(lǐng)域已形成了從圖像的獲取到最終的三維場(chǎng)景可視表面重構(gòu)的完整體系，使得立體視覺已成為計(jì)算機(jī)視覺中一個(gè)非常重要的分支。經(jīng)過幾十年來的發(fā)展，立體視覺在機(jī)器人視覺、航空測(cè)繪、反求工程、軍事運(yùn)用、醫(yī)學(xué)成像和工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域中的運(yùn)用越來越廣。3.雙目立體視覺系統(tǒng)立體視覺系統(tǒng)由左右兩部攝像機(jī)組成。如圖二所示，圖中分別以下標(biāo)l和r標(biāo)

6、注左、右攝像機(jī)的相應(yīng)參數(shù)。世界空間中一點(diǎn)A(X，Y，Z)在左右攝像機(jī)的成像面Cl和Cr上的像點(diǎn)分別為al(ul，vl)和ar(ur，vr)。這兩個(gè)像點(diǎn)是世界空間中同一個(gè)對(duì)象點(diǎn)A的像，稱為“共軛點(diǎn)”。知道了這兩個(gè)共軛像點(diǎn)，分別作它們與各自相機(jī)的光心Ol和Or的連線，即投影線alOl和arOr，它們的交點(diǎn)即為世界空間中的對(duì)象點(diǎn)A(X，Y，Z)。這就是立體視覺的基本原理。圖二、立體視覺的基本原理4.博安盈雙目立體視覺系統(tǒng)：平行光軸的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在平行光軸的立體視覺系統(tǒng)中（圖三），左右兩臺(tái)攝像機(jī)的焦距及其它內(nèi)部參數(shù)均相等，光軸與攝像機(jī)的成像平面垂直，兩臺(tái)攝像機(jī)的x

7、軸重合，y軸相互平行，因此將左攝像機(jī)沿著其x軸方向平移一段距離b（稱為基線baseline）后與右攝像機(jī)重合。由空間點(diǎn)A及左右兩攝像機(jī)的光心Ol、Or確定的極平面（Epipolarplane）分別與左右成像平面Cl、Cr的交線pl、pr為共軛極線對(duì)，它們分別與各自成像平面的坐標(biāo)軸ul、ur平行且共線。在這種理想的結(jié)構(gòu)形式中，左右攝像機(jī)配置的幾何關(guān)系最為簡(jiǎn)單，極線已具有很好的性質(zhì)，為尋找對(duì)象點(diǎn)A在左右成像平面上的投影點(diǎn)al和ar之間的匹配關(guān)系提供了非常便利的條件。圖三、平行光軸的立體視覺系統(tǒng)示意圖5.雙目立體視覺智能視頻分析技術(shù)恢復(fù)場(chǎng)景的3D信息是立體視

8、覺研究中最基本的目標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，一個(gè)完整的立體視覺系統(tǒng)通常包含六個(gè)模塊：圖像獲取、攝像機(jī)