基于立體標(biāo)定件的雙目視覺(jué)目標(biāo)測(cè)量方法

藍(lán)畋 華云松

摘 ?要： 為了實(shí)現(xiàn)雙目攝像機(jī)對(duì)目標(biāo)物測(cè)量精度的提升，本文提出一種基于立體標(biāo)定件的雙目立體視覺(jué)目標(biāo)物測(cè)量方法。在攝像機(jī)標(biāo)定步驟中，本方法在傳統(tǒng)標(biāo)定方法基礎(chǔ)上，利用立體標(biāo)定件的幾何特性以及相鄰面的圖像冗余對(duì)初步標(biāo)定的內(nèi)外參矩陣進(jìn)行修正，提升標(biāo)定數(shù)據(jù)的精確性，然后利用SGBM（Semi-Global Block Matching）立體匹配算法對(duì)校正后的左右圖像進(jìn)行匹配，獲取測(cè)量物上各點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的尺寸測(cè)量。分別用不同的物體進(jìn)行測(cè)量后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本方法能將誤差控制在1 mm以內(nèi)，具有較好的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞： 雙目立體視覺(jué)測(cè)量;立體標(biāo)定件;相機(jī)標(biāo)定;立體匹配

中圖分類號(hào)： TP317.4 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.06.020

本文著錄格式：藍(lán)畋，華云松. 基于立體標(biāo)定件的雙目視覺(jué)目標(biāo)測(cè)量方法[J]. 軟件，2020，41（06）：9195

【Abstract】： In order to improve the measurement accuracy of the target by the binocular camera， a binocular stereo vision target measurement method based on stereo calibration parts is proposed in this paper. In the camera calibration step， based on the traditional calibration method， this method uses the geometric characteristics of the three-dimensional calibration part and the image redundancy of adjacent surfaces to modify the initial calibration internal and external parameter matrix to improve the accuracy of the calibration data. The Semi-Global Block Matching algorithm matches the corrected left and right images to obtain the three-dimensional coordinate values of the points on the measurement object， thereby achieving the measurement of the size of the target object. After measuring with different objects， the experimental results prove that the method can control the error within 1mm， and has better accuracy.

【Key words】： Binocular stereo vision measurement; Stereo calibration; Camera calibration; Stereo matching

0 ?引言

人眼能夠輕松的感知物體在空間中的位置，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)三維空間物體的精準(zhǔn)測(cè)量。立體視覺(jué)作為計(jì)算機(jī)視覺(jué)的重要分支，它利用圖像采集及預(yù)處理、攝像機(jī)標(biāo)定、立體校正、立體匹配、圖像深度信息還原等步驟實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的非接觸精準(zhǔn)測(cè)量。相比于人工測(cè)量，雙目立體視覺(jué)測(cè)量不僅有效率高、精度高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，更能獲取目標(biāo)測(cè)量物的特征幾何參數(shù)及空間姿態(tài)特性，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)物測(cè)量的智能化。

本文在傳統(tǒng)張正友標(biāo)定法[2]的基礎(chǔ)上，根據(jù)立體標(biāo)定件的幾何特性及標(biāo)定件相鄰面的圖像冗余作為約束，對(duì)雙目攝像機(jī)內(nèi)外參進(jìn)行修正，再結(jié)合立體校正和SGBM立體匹配算法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的高精度測(cè)量。

1 ?測(cè)距原理

基于雙目立體視覺(jué)的測(cè)量是通過(guò)兩個(gè)平行放置的攝像機(jī)對(duì)同一目標(biāo)物進(jìn)行拍攝，在獲取的二維圖像上計(jì)算出兩幅圖像的像素位置偏差，利用得到的視差圖再根據(jù)三角幾何原理獲取被測(cè)物體的三維信息，原理圖如圖1所示。

2 ?相機(jī)標(biāo)定

2.1 ?相機(jī)標(biāo)定原理

2.2 ?立體標(biāo)定方法

在利用傳統(tǒng)方法得到兩個(gè)攝像機(jī)的內(nèi)外參矩陣 后，可利用立體標(biāo)定件的固有幾何特性對(duì)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行修正。

針對(duì)左攝像機(jī)所拍攝的畫面，如圖3所示。通過(guò)Harris角點(diǎn)檢測(cè)出 ，及其連線上的三個(gè)角點(diǎn)，再據(jù)初步計(jì)算出的左攝像機(jī)內(nèi)外參 ，計(jì)算得出這五個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。最后利用最小二乘法擬合出三維向量 ，表示為 再用相同的方法求出 的向量 以及 的向量 。

4 ?立體匹配

立體匹配算法是雙目立體視覺(jué)整個(gè)過(guò)程的核心，它能夠?qū)蓚€(gè)攝像機(jī)拍攝到的兩張或者多張圖像轉(zhuǎn)化為視差圖，從而獲取物體的深度信息。根據(jù)約束條件的不同，立體匹配算法可以分為全局立體匹配算法、局部立體匹配算法以及半全局立體匹配算法。其中，全局立體匹配算法利用利用圖像本身及附近區(qū)域的像素點(diǎn)信息進(jìn)行匹配，優(yōu)點(diǎn)是匹配效果較好，針對(duì)小間斷區(qū)域和低紋理區(qū)域也能達(dá)到較好的匹配效果。而局部立體匹配算法是利用圖像的灰度信息完成匹配，能在較短的時(shí)間內(nèi)完成計(jì)算，但缺點(diǎn)是對(duì)于深度間斷和低紋理區(qū)域不能達(dá)到較好的效果。半全局立體匹配算法則是在全局能量函數(shù)上加入額外的平滑約束公式：

其中， 表示基于視差為 的所有像素匹配代價(jià)和。 代表圖像中的某個(gè)像素， 為懲罰系數(shù)，它適用于圖像中像素 相鄰像素中視差值與 視差值相差為1的像素， 也是懲罰系數(shù)，它適用于圖像中像素 相鄰像素中視差值與 視差值相差大于1的像素。 代表若函數(shù)內(nèi)判別式為真，則返回1，否則返回0。

本實(shí)驗(yàn)選用SGBM（Semi-Global Block Matching）這個(gè)半全局匹配算法對(duì)圖像進(jìn)行立體匹配，為了獲得該函數(shù)的最優(yōu)解，將該問(wèn)題分解為8個(gè)一維問(wèn)題，每個(gè)問(wèn)題都通過(guò)動(dòng)態(tài)規(guī)劃來(lái)求解。具體步驟為①?gòu)淖笾劣抑饌€(gè)像素匹配計(jì)算②用一維約束近似二維約束進(jìn)行計(jì)算③計(jì)算視差④剔除誤匹配的點(diǎn)。

由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出，本測(cè)量方法能把實(shí)驗(yàn)的絕對(duì)誤差控制在1 mm以內(nèi)，并能利用有限的標(biāo)定圖像獲取較為準(zhǔn)確的矩陣內(nèi)外參數(shù)據(jù)，以完成對(duì)目標(biāo)物的測(cè)量工作。

6 ?結(jié)論

本文基于立體標(biāo)定件結(jié)合SGBM立體匹配算法，提出一種雙目立體視覺(jué)的目標(biāo)物測(cè)量方法。本測(cè)量方法首先利用立體標(biāo)定件的幾何特性和圖像冗余，在傳統(tǒng)標(biāo)定方法上對(duì)初步標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行修正，得到更為精準(zhǔn)的雙攝像機(jī)內(nèi)外參矩陣，后結(jié)合立體校正及半全局立體匹配算法對(duì)目標(biāo)物的三維信息進(jìn)行還原。實(shí)驗(yàn)選用不同目標(biāo)測(cè)量物進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量，多次測(cè)量證明了本方法的有效性，并將測(cè)量的絕對(duì)誤差控制在1mm以內(nèi)，也證明了本方法的在精度上較傳統(tǒng)測(cè)量方法有一定的優(yōu)勢(shì)。

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