双目视觉是如何实现深度估计的？

[首发于智驾最前沿微信公众号]自动驾驶的纯视觉方案中，单目摄像头因无法直接感知深度，在环境理解上存在根本局限，双目视觉技术在此需求下应运而生。它通过模拟人眼，利用双摄像头的视差来推算距离，将二维图像转化为三维信息，从而为车辆决策提供关键的深度感知能力。

什么是双目深度估计？

平时我们用眼睛看东西其实就是一种最自然的深度估计。人的两只眼睛有一定的间距，大脑通过融合两只眼睛看到的略有不同的图像来判断远近。计算机视觉里“双目深度估计”就是借鉴这个原理，将两个相机并排排列，并拍下同一场景，然后分析两幅图像的差异来推算距离。

单目摄像头拍摄的二维图像，仅包含色彩与亮度信息，无法直接提供场景中物体的距离数据。要获取“距离”这一关键的深度信息，关键在于利用视差，也就是在另一个位置放置第二个相机，同时对同一场景成像。此时，物体在两个视角的图像中会产生位置偏移，通过计算这一偏移量，便可以精确推算出物体的三维距离。

图片源自：网络

如果我们知道了两个摄像头之间的距离（基线）和摄像机的焦距，当我们找到两个图像里同一个物体对应点的位置差（视差）时，就能用一个非常简单的公式计算出这个点的真实深度，即：

深度=焦距×基线/视差。

从公式中我们可以看到，视差越大，物体越近；视差越小，物体越远。

双目深度估计的主要步骤

既然说到了视差，那么关键问题来了，怎么从一对左右图像里找到这些对应点？这中间其实涉及到多个流程。

图片源自：网络

两个摄像头从出厂到装在一起时，会有一些位置和角度误差，所以我们需要先做几何标定，确定每个摄像头的内部参数（比如焦距、主点位置）和它们之间的外部关系（位置和朝向）。只有这样才能让后面比较两个图像时的像素位置是准确对应的。

在完成双目系统的校准后，接下来要做的就是立体矫正。这一过程的目的是把两个图像都调整成在同一条水平线上，这样同一场景点在左右图像里的对应关系只会在水平方向上变化，这极大简化了后面的匹配难度。

立体匹配的核心任务，就是在左右两幅图像中为同一物体找到相互对应的像素点。由于之前已经做了立体矫正，这个搜索被大大简化了，只需要在右图中沿着与左图像素点对应的同一水平线去扫描，找出看起来最相似的那个区域即可。尽管如此，要为图像中每一个像素找到对应点，计算量依然会非常庞大。因此可借助如经典的块匹配（Block Matching）或效果更优的半全局匹配（Semi-Global Matching,SGM）来实现高效的匹配。

当我们找到每个像素的对应关系之后，就可以算出视差值。视差是同一个点在左右图像中水平方向坐标差的数量，这个差值越大代表这个点离相机越近。最后，把视差值带入我们前面提到的公式，就能得到每一个像素对应的深度值。这样我们就生成了一张“深度图”，每个像素不再只是颜色信息，还可以是一个距离值。

深度学习方法对双目深度估计有何作用？

通过传统计算机视觉方法完成上面的这些步骤，其实就可以做好双目深度估计了，但是传统方法主要依赖手工设计的特征和匹配算法，如比较左右图像里像素块的相似度，然后决定它们是不是对应的点。这样一来在一些纹理稀少的区域、光照变化大的情况下，这种匹配就很容易出错，而且计算量也不小。

近年来，深度学习也被引入双目深度估计领域。其核心目标与传统方法一致，仍是寻找左右图像间的对应关系并计算视差，但实现方式发生了根本改变。深度学习不再依赖人工设计的匹配代价与规则，而是通过卷积神经网络自动从数据中学习匹配特征。

图片源自：网络

该网络以左右视图作为输入，直接输出视差图或深度图。在大量立体图像数据训练下，网络能够自主掌握哪些图像特征利于匹配、哪些场景容易产生歧义，从而显著提升匹配的鲁棒性。因此，在遮挡区域、重复纹理或缺乏纹理的环境等传统方法容易失效的场景下，基于深度学习的方法会表现出更高的准确度和稳定性。

深度学习方法的处理流程是先用神经网络提取左右图像的特征，然后构建一个“代价体”，表示在不同视差值下左右特征的匹配代价。接着再让网络学习从代价体里回归出最终的视差值。整个过程可以端到端训练，不需要手工调各种参数。

当然，端到端的深度学习系统需要大量带真实深度标注的数据来训练模型，而且在训练数据和真实应用场景不一致时表现可能下降。这就需要一些自监督、数据增强等策略来提升鲁棒性。

双目深度估计会遇到什么问题？

双目深度估计一个常见的问题是像素匹配不准确。如果物体表面没什么纹理，两个视角的图像看起来就会一模一样，这就让系统难以判断哪个点是对应到哪个点。有些算法为了弥补这个问题，会用更复杂的特征或者上下文信息来辅助匹配，但仍不是万无一失的。

图片源自：网络

我们讲的匹配过程是假设两个图像在同一时间点拍的。如果场景里有如行人、车辆等移动的物体，而两个摄像头抓拍的时间有微小差异，这就会让匹配变得更难。深度学习方法可以用时序信息来缓解，但这本质上还是一个复杂问题。

在双目立体系统的设计中，基线长度的选取，本质上是在测量精度和工程落地之间做选择。基线越长，同一物体在左右图像中产生的视差就越大，这不仅使匹配更容易，也能有效提高深度估计的精度。过长的基线会带来安装空间、机械稳定性以及视野重叠区域减少等问题。但基线过短，远处物体的视差将变得极其微小，在像素级的计算中很容易被图像噪声、量化误差等因素所淹没，从而导致深度估计失效。

最后，还有像光照变化、遮挡、反射表面这些现实场景都会让匹配变得不稳定。这也是为什么在双目系统设计中，需要花费大量精力在图像预处理、匹配优化、后处理滤波等步骤上。

最后的话

双目深度估计的应用场景十分广泛，除了自动驾驶，它在工业检测、无人机测绘、实时三维建模等领域也发挥着重要作用。在需要快速感知和重建三维空间的场景中，双目视觉结合点云生成等技术，能够实现高效的实时环境建模。虽然激光雷达等主动式传感器在精度上更具优势，但双目方案以其显著的成本优势，成为许多对成本敏感应用的理想选择。

审核编辑 黄宇