基于計算機(jī)的視覺立體匹配算法研究

陳冬梅

摘要：計算機(jī)視覺技術(shù)主要是研究通過計算機(jī)技術(shù)來實現(xiàn)人的視覺功能的過程，計算機(jī)視覺研究的重點課題是立體匹配。雙目視覺是和人體眼睛的視覺比較接近的，而且在實際應(yīng)用中比較容易實現(xiàn)。文章對計算機(jī)視覺系統(tǒng)和立體匹配算法進(jìn)行了分析，并且對雙目視覺的視覺立體匹配算法進(jìn)行了研究，通過相應(yīng)的計算機(jī)算法對雙目視覺立體匹配進(jìn)行實現(xiàn)，具有-.一定的研究意義。

關(guān)鍵詞：雙目視覺；匹配算法；計算機(jī)視覺；立體匹配；相位一致性

1.計算機(jī)視覺系統(tǒng)分析研究

1.1計算機(jī)視覺技術(shù)及雙目立體視覺

計算機(jī)視覺是通過計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)對視覺信息處理的整個過程，是一門新的學(xué)科。視覺是人們認(rèn)知事物的重要途徑，視覺是人們對視覺信息獲取、處理和存儲的過程。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，信號處理技術(shù)的應(yīng)用，人們通過照相機(jī)來把實際的事物拍攝下來轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信息，并通過計算機(jī)信號處理技術(shù)隊獲取的視覺信號進(jìn)行處理。計算機(jī)視覺技術(shù)對圖像的處理分為獲取圖像、特征抽象選取、事物識別及分類和對三維信息的理解。獲取圖像主要是通過攝像機(jī)和紅外線等技術(shù)對周圍視覺事物進(jìn)行獲取，并通過計算得到和真實事物相應(yīng)的二維圖像，二維圖像主要是數(shù)字圖像。計算機(jī)視覺系統(tǒng)的最基本的功能是數(shù)字圖像的獲取?？梢钥闯鲇嬎銠C(jī)視覺研究最基本內(nèi)容是三維場景距離信息的獲取。在計算機(jī)被動測量距離方法中，有一種重要的距離感知技術(shù)叫作雙目立體視覺。雙目立體視覺技術(shù)是其他計算機(jī)視覺技術(shù)無法取代的一種技術(shù)，對雙目立體視覺技術(shù)的研究在計算機(jī)視覺技術(shù)和工程應(yīng)用方面都是非常重要的。

1.2計算機(jī)視覺理論框架

第一個視覺系統(tǒng)理論框架的提出是以信息處理為基礎(chǔ)，綜合了圖像處理和神經(jīng)生理學(xué)等研究內(nèi)容而建立的。這個視覺系統(tǒng)理論框架是計算機(jī)視覺系統(tǒng)的基本框架，與計算機(jī)視覺技術(shù)有著密切的關(guān)系。視覺系統(tǒng)的研究是以信息處理為基礎(chǔ)的，從理論層次、算法層次和硬件層次3個層次進(jìn)行研究。計算機(jī)理論層次主要是表達(dá)系統(tǒng)各個部分計算的目的和方法，對視覺系統(tǒng)的輸入和輸出進(jìn)行規(guī)定，輸入作為二維圖像，輸出是以二維圖像為基礎(chǔ)建立起來的三維物體，視覺系統(tǒng)的目的就是對三維物體進(jìn)行分析和識別，通過計算對二維物體位置和形狀進(jìn)行重新建立。算法層次對計算機(jī)規(guī)定的目標(biāo)進(jìn)行計算，算法和計算機(jī)表達(dá)有關(guān)，不同的表達(dá)可以通過不同的算法進(jìn)行實現(xiàn)，在計算機(jī)理論的層次上，算法和表達(dá)比計算機(jī)理論的層次要低。硬件層次是通過硬件來實現(xiàn)算法的一種表達(dá)方法。計算機(jī)理論層次在計算機(jī)信息處理中時最高的層次，取決于計算機(jī)的本質(zhì)是解決計算機(jī)的自身問題，不是取決于計算問題的計算機(jī)硬件。要更好地對計算機(jī)系統(tǒng)和框架進(jìn)行理解最好的方法就是要區(qū)分3個不同的層次，計算機(jī)理論的含義和主要解決的問題是計算機(jī)的目的，表達(dá)算法含義和主要解決的問題是實現(xiàn)計算理論的方法和輸入輸出的表達(dá)，硬件的實現(xiàn)的含義和主要解決的問題是如何在物理上對表達(dá)和算法進(jìn)行實現(xiàn)。計算機(jī)視覺處理的可以分為3個階段，對視覺信息的處理過程從最初的二維圖像的原始數(shù)據(jù)，到三維環(huán)境的表達(dá)。第一階段基元圖的構(gòu)成，基元圖是用來表示二維圖像中的重要信息，主要是圖像中亮度變化位置及其幾何分布和組織結(jié)構(gòu)，圖像中每點的亮度值包括零交叉、斑點、端點和不連續(xù)點、邊緣等。第二階段2.5維圖描述，在以觀測者為中心的坐標(biāo)中，表示可見表面的方向、深度值和不連續(xù)的輪廓，基元是局部表面朝向離觀測者的距離深度上的不連續(xù)點表面朝向的不連續(xù)點。第三階段三維模型表示，在以物體為中心的坐標(biāo)系中，有由體積單元和面積單元構(gòu)成的模塊化多層次表示，描述形狀及其空間組織形式，分層次組成若干三維模型，每個三維模型都是在幾個軸線空間的基礎(chǔ)上構(gòu)成的，所有體積單元或面積形狀基元都附著在軸線上。視覺理論框架圖如圖1所示。

2.基于計算機(jī)的視覺立體匹配算法研究

視覺立體匹配算法是基于人類視覺系統(tǒng)的一種計算機(jī)算法。立體匹配算法作為計算機(jī)立體視覺問題研究的重點，快速地實現(xiàn)圖像對應(yīng)點的匹配來獲得視差圖是當(dāng)今研究的熱點問題。立體視覺匹配算法根據(jù)基元匹配的不同可以分為相位匹配、區(qū)域匹配和特征匹配3種，其中區(qū)域匹配算法可以減少計算負(fù)擔(dān)，區(qū)域匹配算法實時性高，應(yīng)用前景廣闊。計算機(jī)立體視覺通過對人的雙眼進(jìn)行模仿，在雙眼的立體感知中獲得信息，從攝像機(jī)拍攝的圖像中獲取物體的三維深度信息，這就是深度圖的獲取，把深度圖經(jīng)過處理得到三維空間信息數(shù)據(jù)，二維圖像到三維空間實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。深度的獲取在雙目立體成像視覺系統(tǒng)中分為兩步，首先在雙目立體圖像與圖像之間建立點對點的對象關(guān)系，雙目立體視覺算法研究的重點問題是解決對應(yīng)點之間的匹配問題。其次以對應(yīng)點之間的視差為依據(jù)對深度值進(jìn)行計算。雙目成像是獲取同一場景中兩幅不同的圖像，兩個單目成像模型構(gòu)成一個雙目成像模型。雙目成像示意圖如圖2所示。系統(tǒng)的基線B是兩個鏡頭中心的連接線，空間點w（z，y，z）作為世界坐標(biāo)的值由（x1，y1）與（x2，y2）進(jìn)行確定，如果攝像機(jī)的坐標(biāo)位置和空間點w世界坐標(biāo)的位置重合，圖像平面和世界坐標(biāo)軸xY的平面就是平行的。如果兩個攝像機(jī)在坐標(biāo)系統(tǒng)中的原點不同但是它們的光軸平行，那么雙目成像計算人們可以看圖3所示，圖3表示的是兩個攝像頭連線在平臺xY的示意。

立體視覺的成像過程是成像的逆過程，具有一定的不確定性。大量的數(shù)據(jù)信息在從三維影像向二維圖像進(jìn)行投影的過程會出現(xiàn)丟失的現(xiàn)象，所以視覺系統(tǒng)要通過自然的約束條件才能保證獲取正確的解。這些約束條件在減少匹配的計算量方面可以提供有利的幫助。針對基于區(qū)域匹配快速算法，還可以應(yīng)用基于視差梯度的匹配算法，這種匹配算法應(yīng)用較大的搜索范圍在邊緣的特征點上進(jìn)行搜索，采用視差梯度在非邊緣區(qū)減少搜索范圍。應(yīng)用計算機(jī)視覺立體匹配算法可以減少成像匹配時間，大大提高了工作效率。計算機(jī)立體匹配算法中特征點的提取是算法的關(guān)鍵問題，今后的研究方向重點是對有效特征點提取方法的研究。

3.結(jié)語

基于計算機(jī)的視覺立體匹配算法研究是一項具有實際研究價值的課題，視覺立體匹配算法研究具有重要的意義。雙目立體視覺技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，將成為工業(yè)和生物領(lǐng)域的關(guān)鍵性技術(shù)。