几种经典的双目匹配的算法

 

在深度相机的主流技术方案Structure Light，ToF，Stereo Dual）中，主动双目成像方案可以基于低成本的硬件，获得高分辨率、高精度的深度图像，但是立体匹配算法（stereo matching）复杂，对计算资源消耗很大。那我们介绍下几种经典的双目匹配的算法。

【双目匹配】

双目立体视觉理论建立在对人类视觉系统研究的基础上，通过双目立体图象的处理，获取场景的三维信息，其结果表现为深度图，再经过进一步处理就可得到三维空间中的景物，实现二维图象到三维空间的重构。Marr-Poggio-Grimson [1] 最早提出并实现了一种基于人类视觉系统的计算视觉模型及算法。双目立体视觉系统中，获取深度信息的方法比其它方式（如由影到形方法）较为直接，它是被动方式的，因而较主动方式（如程距法）适用面宽，这是它的突出特点。

双目立体视觉系统中，深度信息的获得是分如下两步进行的:

(1) 在双目立体图象间建立点点对应,

(2) 根据对应点的视差计算出深度。

第一部分，也就是对应点问题，是双目立体视觉的关键; 第二部分是摄像机模型问题。双目立体视觉模型中，双摄像机彼此参数一致，光轴平行且垂直于基线，构成一共极性 (epipolar) 结构，这样做是为了缩小对应的搜索空间，只有水平方向的视差，简化了对应过程

【立体匹配算法介绍】

BM

其中minDisparity是控制匹配搜索的第一个参数，代表了匹配搜苏从哪里开始，numberOfDisparities表示最大搜索视差数uniquenessRatio表示匹配功能函数，这三个参数比较重要，可以根据实验给予参数值。

该方法速度最快，一副320*240的灰度图匹配时间为31ms

SBGM

SGBM算法 Stereo Processing by Semiglobal Matching and Mutual Information

作为一种全局匹配算法，立体匹配的效果明显好于局部匹配算法，但是同时复杂度上也要远远大于局部匹配算法。算法主要是参考Stereo Processing by Semiglobal Matching and Mutual Information。

通过选取每个像素点的disparity，组成一个disparity map，设置一个和disparity map相关的全局能量函数，使这个能量函数最小化，以达到求解每个像素最优disparity的目的。

能量函数形式如下：

D指disparity map。E(D)是该disparity map对应的能量函数。

p, q代表图像中的某个像素

Np 指像素p的相邻像素点（一般认为8连通）

C(p, Dp)指当前像素点disparity为Dp时，该像素点的cost

P1 是一个惩罚系数，它适用于像素p相邻像素中dsparity值与p的dsparity值相差1的那些像素。

P2 是一个惩罚系数，它适用于像素p相邻像素中dsparity值与p的dsparity值相差大于1的那些像素。

I[.]函数返回1如果函数中的参数为真，否则返回0

利用上述函数在一个二维图像中寻找最优解是一个NP-complete问题，耗时过于巨大，因此该问题被近似分解为多个一维问题，即线性问题。而且每个一维问题都可以用动态规划来解决。因为1个像素有8个相邻像素，因此一般分解为8个一维问题。

OpenCV中自带了BM和SBGM，效果对比如下图：

GC

GC算法 算法文献：Realistic CG Stereo Image Dataset with Ground Truth Disparity Maps

SAD

SAD(Sum of absolute differences)是一种图像匹配算法。基本思想：差的绝对值之和。此算法常用于图像块匹配，将每个像素对应数值之差的绝对值求和，据此评估两个图像块的相似度。该算法快速、但并不精确，通常用于多级处理的初步筛选。

基本流程

输入：两幅图像，一幅Left-Image，一幅Right-Image 对左图，依次扫描，选定一个锚点：

（1）构造一个小窗口,类似于卷积核； （2）用窗口覆盖左边的图像,选择出窗口覆盖区域内的所有像素点； （3）同样用窗口覆盖右边的图像并选择出覆盖区域的像素点； （4）左边覆盖区域减去右边覆盖区域，并求出所有像素点灰度差的绝对值之和； （5）移动右边图像的窗口，重复（3）-（4）的处理（这里有个搜索范围,超过这个范围跳出）； （6）找到这个范围内SAD值最小的窗口,即找到了左图锚点的最佳匹配的像素块。

【匹配陷阱】

以下几种情形生成的深度图像可能会有缺陷：

（1） 光学失真和噪声（亮度、色调、饱和度等失衡）

 

（2） 平滑表面的镜面反射

高光处无细节，无特征点。

 

（3） 投影缩减（Foreshortening）

摄影测量学中的一个概念，指物体近大远小。由于相对左右照相机距离的不同，看到的同一个物体在左右视图中的投影尺寸也会不同，造成匹配障碍。

 

（4） 透视失真（Perspective distortions）

由于镜头畸变造成的被摄物体失真。譬如画面中的鼻子被拉长。

 

（5） 低纹理（Low texture）

无细节。主动纹理光可以解决这一问题。

（6） 重复纹理（Repetitive/ambiguous patterns）

高度相似的特征点描述向量接近，行扫描时难以判断哪一个是对应的特征点。

 

（7） 透明物体

同低纹理。

 

（8） 重叠和非连续

纹理中断，不利于行查找。