計(jì)算機(jī)視覺(jué)中雙目立體匹配技術(shù)的研究

摘 要 計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)是以后發(fā)展的一個(gè)重要方向，文章首先簡(jiǎn)要介紹了雙目立體視覺(jué)的概念，接著就雙目立體視覺(jué)匹配技術(shù)的原理進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，最后簡(jiǎn)要分析了雙目立體視覺(jué)匹配技術(shù)的應(yīng)用難點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞 計(jì)算機(jī)視覺(jué)；立體匹配；研究情況

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）07-0001-01

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展。將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于人類(lèi)的視覺(jué)系統(tǒng)，并輔助人們觀察到一些眼睛難以看到的東西，已經(jīng)逐漸成為一門(mén)大家所熱捧和追逐的技術(shù)。隨著人們對(duì)視覺(jué)傳感器技術(shù)越來(lái)越多的探索，人們也逐漸實(shí)現(xiàn)了古代時(shí)想擁有千里眼的夢(mèng)想。目前，人們已經(jīng)把視覺(jué)傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)良好的結(jié)合在一起，并把這些技術(shù)應(yīng)用到食品、建筑、醫(yī)藥、電子、航天航空等眾多領(lǐng)域當(dāng)中。而該項(xiàng)技術(shù)的快速發(fā)展，也幫助人們解決了一些日常工作當(dāng)中人類(lèi)視覺(jué)存在盲區(qū)的問(wèn)題，保證了人們工作過(guò)程的安全。視覺(jué)技術(shù)與IT技術(shù)的完美結(jié)合使得人們的生活變得更加便利，讓人們親身體會(huì)到了IT技術(shù)給人們生活帶來(lái)的便捷。

1 雙目立體視覺(jué)概述

雙目立體視覺(jué)又稱(chēng)雙目視覺(jué)技術(shù)，是目前計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。雙目立體視覺(jué)控制系統(tǒng)的組成因其采用的原理和應(yīng)用功能的不同，組成也都各不相同。

雙目立體視覺(jué)的實(shí)現(xiàn)原理是基于人眼的視網(wǎng)膜看物體的特性，從兩個(gè)不同的方向來(lái)觀看同一個(gè)物體的不同角度，從而實(shí)現(xiàn)清楚的了解到物體的圖像的目的。雙目立體視覺(jué)從不同的角度獲得物體的投影信息，并根據(jù)匹配的結(jié)果，獲取同一個(gè)物體不同偏差位置的信息。最后在依據(jù)三角測(cè)量技術(shù)，根據(jù)已經(jīng)獲得的這些偏差信息從而獲得這些不同點(diǎn)對(duì)應(yīng)的距離信息，并最終獲得這些實(shí)際物體的具體坐標(biāo)位置信息。

視差測(cè)距技術(shù)告訴我們，要清楚的觀察到一個(gè)物體的全貌，需要兩個(gè)觀察物從不同的方向，或者固定一個(gè)觀察物，移動(dòng)另外一個(gè)觀察物的方式，以達(dá)到拍攝同一個(gè)物體的目的。根據(jù)同一個(gè)物體在兩個(gè)觀察物當(dāng)中的位置偏差，從而確定該物體的三維信息。一般來(lái)說(shuō)，雙目立體視覺(jué)的組成包括：圖像獲取設(shè)備、圖像預(yù)處理設(shè)備、攝像機(jī)標(biāo)定設(shè)備、立體匹配設(shè)備、根據(jù)二維信息實(shí)現(xiàn)三維重構(gòu)設(shè)備等五個(gè)重要設(shè)備。

2 雙目立體視覺(jué)技術(shù)的原理

立體畫(huà)又可以稱(chēng)之為三維立體畫(huà)，是一種人們可以從三維立體圖中獲取二維平面圖信息的技術(shù)。三維立體圖表面看似毫無(wú)規(guī)則，但是假如通過(guò)一些特殊的技術(shù)或者通過(guò)合理的觀察手段和觀察設(shè)備，就可以看到一組秩序井然的美妙圖片。

三維立體圖是一組重復(fù)的二維圖片有序的堆積積累而成，因此可以呈現(xiàn)出立體效果。人體觀察物體的原理大致如下：當(dāng)人類(lèi)通過(guò)左右眼觀察所在的空間平面的時(shí)候，這些平面圖都只是一些毫無(wú)秩序的圖片。而當(dāng)左右眼重新聚焦或者在觀察畫(huà)面的時(shí)候呈現(xiàn)一定的層次感，則人類(lèi)的左右眼觀察到的一組重復(fù)案在經(jīng)過(guò)人體識(shí)別以后，這些畫(huà)面之間將存在一定的距離差異，從而在腦中生成立體感。

雙目立體視覺(jué)技術(shù)正是基于以上的原理，從兩個(gè)不同的方向去觀察物體，并獲得目標(biāo)圖像的信息，并經(jīng)過(guò)一定的處理獲得三維重建的物體立體信息的技術(shù)。

雙目立體視覺(jué)在計(jì)算機(jī)技術(shù)中實(shí)現(xiàn)三維重建的大致流程

如下。

1）攝像機(jī)定位，并通過(guò)單片機(jī)計(jì)算得到要獲取圖像信息需要的外部的參數(shù)的大概值，并根據(jù)這些參數(shù)值設(shè)定攝像機(jī)。

2）用設(shè)定參數(shù)的攝像機(jī)拍攝目標(biāo)場(chǎng)景的畫(huà)面，并采集這些畫(huà)面的二維圖的信息。

3）通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙目匹配，并判定采集畫(huà)面中的二維圖像中的不同點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

4）在第三步中若得到兩組二維圖像的關(guān)系是稠密的時(shí)候，則生成三維視差圖。如果不是則進(jìn)一步采集圖片信息。

5）根據(jù)得到的視差圖最終實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的三維圖形的重建。

3 雙目立體匹配技術(shù)的研究難點(diǎn)和未來(lái)的發(fā)展方向

盡管目前有很多學(xué)者都投身到雙目立體匹配技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)當(dāng)中，直至目前為止也解決了很多關(guān)于視覺(jué)理論當(dāng)中存在的很多缺陷問(wèn)題。但是視覺(jué)問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜且難以解決的問(wèn)題，特別是在雙目立體匹配問(wèn)題方面更是困難重重。立體匹配技術(shù)的難點(diǎn)已經(jīng)成為限制將雙目技術(shù)應(yīng)用到計(jì)算機(jī)技術(shù)當(dāng)中的重要瓶頸。

立體匹配的主要手段就是找到計(jì)算機(jī)采集到兩幅和多副圖片的中像素的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后根據(jù)這些像素關(guān)系判定并生成三維重建圖。但是二維圖像的匹配存在層層困難，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）由于視角的問(wèn)題或者觀察物體存在遮擋問(wèn)題，導(dǎo)致采集回來(lái)的圖片信息存在盲點(diǎn)，這樣子更難找到圖片的匹配區(qū)域。

2）場(chǎng)景中的一些深度不連續(xù)的區(qū)域大都處在場(chǎng)景當(dāng)中的邊界位置，這些位置容易出現(xiàn)像素不高，邊界不清晰等問(wèn)題，這些問(wèn)題也給圖像匹配帶了很多困擾。

3）場(chǎng)景當(dāng)中的低紋理的圖片匹配特征和匹配關(guān)系較少，而且該位置的每個(gè)像素點(diǎn)極為相似。假如只是通過(guò)簡(jiǎn)單的像素相似性檢測(cè)的話，會(huì)檢測(cè)到很多匹配結(jié)果，而這些匹配結(jié)果當(dāng)中有一大部分是錯(cuò)誤的。這樣子的結(jié)果勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致最終的圖像匹配正確率極為低下。

從以上的分析，我們可以看出立體匹配技術(shù)存在很多技術(shù)上的難點(diǎn)，這些都在很大程度上限制雙目立體匹配技術(shù)在計(jì)算機(jī)當(dāng)中的應(yīng)用發(fā)展。如何才能設(shè)計(jì)出有效、準(zhǔn)確、快速、通用性強(qiáng)的立體匹配算法將會(huì)是以后雙目立體匹配計(jì)算發(fā)展的重要方向。也只有通過(guò)設(shè)計(jì)出一套行之有效的立體匹配算法才能使得雙目立體匹配技術(shù)在計(jì)算機(jī)視覺(jué)當(dāng)中得到廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

人們通過(guò)眼睛可以感受到外界事物的存在，可以清楚的了解到事物的立體信息，分辨出觀察物的廣度和深度，以及物體的遠(yuǎn)近。因此人類(lèi)視覺(jué)感知系統(tǒng)就是一個(gè)雙目的立體感知系統(tǒng)。本文講述的計(jì)算機(jī)中的雙目立體匹配技術(shù)正是基于人眼視覺(jué)觀察物體的原理，通過(guò)雙目立體視覺(jué)原理，對(duì)計(jì)算機(jī)采集獲得兩幅二維圖像的信息進(jìn)行分析，并結(jié)合計(jì)算機(jī)的分析，最終獲得同人類(lèi)眼睛一樣觀察到物體三維表面信息的目的。雙目立體匹配技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的完美結(jié)合幫助人們可以更加輕易的獲得物體的信息。希望在不久的將來(lái)，可以將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于人類(lèi)的視網(wǎng)膜當(dāng)中，以幫助一些視網(wǎng)膜存在問(wèn)題的人們，讓他們重新感受到光明，感受世間的溫暖。

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作者簡(jiǎn)介

陳嘉弛（1994-），男，浙江寧波人，本科在讀，研究方向：計(jì)算機(jī)視覺(jué)。endprint