計算機視覺中立體匹配技術的研究

曲少軍 鞠李聃

摘 要：計算機視覺研究的目的是為了實現人類視覺的功能，也就是利用二維影像來實現對客觀世界三維場景的感知與理解。立體匹配技術是計算機視覺研究領域中最基本、最關鍵和最難徹底解決的問題之一。對這一技術進行研究可以使通過像點獲取距離信息以及實現三維立體再現目標成為可能。因此，計算機視覺下的立體匹配技術是今后該領域研究的一個重點方向。基于計算機視覺下，文章主要介紹了立體匹配技術的相關內容、原理、主要算法及其未來發展的趨勢。

關鍵詞：立體匹配技術 計算機視覺 原理 算法 發展趨勢

中途分類號：TP391.41 文獻識別碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（a）-0014-02

計算機等科學技術的飛速發展，使得其在人類視覺系統領域內得到了廣泛的應用，并對人類肉眼觀察難以看到的一些東西具有一定的輔助作用。其在人類視覺研究中所具有的巨大價值和意義使得其逐漸成為眾人所追捧的一門技術。人們對視覺技術的不斷探索，促使人們將視覺技術與計算機技術良好的融合在一起。立體匹配技術作為兩者結合的產物，在計算機視覺下，研究立體匹配技術可以取得較好的成果。

1 立體匹配技術內容介紹

立體視覺是興起于20世紀60年代中期的一門交叉性學科，對計算機視覺下，立體匹配技術的研究具有是十分重要的意義。它研究的主要內容是在借助成像技術的前提下，如何從圖像中獲取場景內物體的距離信息。實踐證明，立體視覺在很多領域內都具有較大的應用價值，例如三維測量學、微操作系統的檢測與控制以及虛擬現實等。實現立體視覺的基本方法是采用兩個或多個視點對同一物體目標進行觀察，以獲取一組不同視角下的圖像信息，然后利用視覺成像原理計算出不同圖像中對應像素間的相位信息，進而對物體目標的空間位置進行較為準確的推斷。

立體視覺進行匹配的過程主要分為兩步。第一，在兩個或多個點中找出其之間的對應關系，并在此基礎上計算出各個點處的視差。第二，根據得出的視差信息借助一定的投影設備，將原始場景畫面進行還原，在成像模型已知的前提下，可以直接通過對對應點所蘊含的視差信息進行恢復，進而完成圖像信息的三維重建。由此可以看出，找出匹配的對應點是立體匹配技術中的關鍵。

2 立體匹配技術的原理

立體畫也稱為三維立體畫，它不是一種圖像，而是一種技術，一種使人們可以從三維立體圖中獲得二維平面圖信息的技術。三維立體圖是由一組相同的二維圖片按照一定順序大量堆積而成，所以其具有立體性效果。在正常情況下，通過人類肉眼觀察，三維立體圖像表面似乎毫無規則，但若借助一些特殊的技術和一些高科技的觀察設備進行合理的觀察，人們就可以看到一組井然有序的、神奇美妙的圖片。

人類眼睛觀察物體大致遵循以下原理，即當人類利用左、右眼對其所在的空間平面進行觀察的時候，人們能夠看到的都只是一些雜亂無序的圖片。然而，當人類將左、右眼重新聚焦或是在觀察畫面過程中呈現出一定的層次感，那么人類左、右眼觀察到的這組重復的畫面在經過人腦識別以后，這些畫面之間便會存在一定的距離差異，進而在人腦中形成一種立體感。

立體匹配技術正是基于人眼觀察事物的原理，并且從兩個不同的方向對事物進行觀察，以從中獲得目標圖像的信息，然后通過對其進行一定的處理，最終獲得三維重建的物體立體信息技術。

3 立體匹配技術主要算法

3.1 基于區域的匹配算法

對于給定場景一樣的兩幅圖像，其尺度上圖像對空間具有很大的相似性。若將圖像對空間劃分為許多個小圖像塊，那么每一個小圖像塊與劃分前對應的圖像相比都更為相似。由此可見，基于區域匹配算法的實質就是利用局部窗口之間灰度信息之間的相關程度，這種算法在細節較為豐富且變化較為平緩的地方可以達到較高的匹配精度。區域匹配算法對區域的確定通常是通過將圖像對空間劃分為許多個小圖像塊，或是通過改變圖像對空間尺度的大小來實現。基于區域的匹配算法，以基準圖中的待匹配點作為中心創建一個窗口，并用相鄰區域圖像像素的灰度值分布來表示該窗口的像素，接著在對準圖中尋找像素與之相同的區域，再以其為中心創建一個相同的窗口，并同樣將其相鄰區域范圍內像素與之相同的灰度值分布來作為該窗口的像素，這兩個窗口之間的相似性必須能夠滿足一定的閾值條件。

3.2 基于相位的匹配算法

與其他兩種算法相比，基于相位的匹配算法起步較晚，是近二十年才逐漸發展起來的。相位作為匹配算法中的基元，具有反映信號結構信息的功能，同時對圖像的高頻噪聲還具有很好的抑制作用。相位匹配算法適用于并行處理，并能獲取到精度為亞像素級別的致密視差。基于相位的匹配算法是在一種假定的基礎之上建立的，這種假定認為像對中各對應點的局部相位是相等的。從平移定理的角度分析，信號在空間域中的平移能夠在頻率域上產生相互成比例的相位平移。從數學表達的角度來看，頻率域信號的分析更有助于區域的分析。從變換空間支撐為無限的角度考慮，通常基于相位的匹配算法對像對間視差的獲取是通過對帶通濾波信號的相位信息進行處理而實現。相位差頻率法和相位相關法是基于相位的匹配算法中最常采用的兩種方法。

4 計算機視覺下立體匹配技術難點及發展趨勢分析

現階段的立體匹配技術主要是通過計算機來尋找所采集到的兩幅或多幅圖片中各像對之間的對應關系，然后根據這些關系對二維圖像信息進行判定，最終生成三維重建。但在這一過程中，二維圖像信息的匹配卻面臨重重困難，導致采集到的畫面信息存在瑕疵，使得尋找圖片匹配點的難度大大增加；選定場景中一些深度不連續的區域大多處于場景的邊緣地帶，而這些位置的圖片采集容易出現邊緣不清晰、像素不高等問題，又進一步給圖像匹配帶來了一定的難度等。

根據以上分析可知，目前的立體匹配技術在技術方面存在很多難點，而這些難點都在很大程度上限制了其在計算機技術領域中的應用和發展。因此，設計出準確、高效、快速、通用性強的立體匹配技術及其算法已成為其未來發展與研究的重點方向。

結合當前情況分析，可以大致推斷出立體匹配技術接下來的發展方向主要體現在以下幾方面。第一，逐漸由傳統的雙目視覺轉變為多目視覺，由靜態視覺轉變為動態視覺，并通過增加信息的輸入來降低視覺計算的難度。第二，在信息化時代的影響下，逐漸向著智能化的方向發展，并在基于知識、規則和模型的基礎上制定出立體視覺研究方法。第三，立體匹配算法逐漸并行化。隨著并行流水線機制和專用的信號處理機制在立體匹配技術中應用的越來越廣泛和越來越成熟，不僅立體匹配系統會越來越具有實用性，而且會在很大程度上引導立體匹配算法區域并行化。

5 結語

通過眼睛的觀看人們可以感受到外界事物的存在，可以看到外界有形事物的具體形態，可以清楚的了解到事物的立體信息，可以看到事物距離的遠近。所以從某種角度而言，人類視覺感知系統就是一個立體感知系統。根據文章分析，計算機視覺下的立體匹配技術正是基于人眼視覺觀察物體的原理。因此，將計算機技術與立體匹配技術進行完美的融合，不僅有助于人類視覺可以觀察到物體三維結構中信息這一目標的實現，而且能夠幫助人們更加容易的獲取到物體的信息。

參考文獻

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