基于計算機的視覺立體匹配算法研究

陳冬梅

摘要：計算機視覺技術(shù)主要是研究通過計算機技術(shù)來實現(xiàn)人的視覺功能的過程，計算機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)。文章對計算機視覺系統(tǒng)和立體匹配算法進行了分析，并且對雙目視覺的視覺立體匹配算法進行了研究，通過相應(yīng)的計算機算法對雙目視覺立體匹配進行實現(xiàn)，具有-.一定的研究意義。

關(guān)鍵詞：雙目視覺；匹配算法；計算機視覺；立體匹配；相位一致性

1.計算機視覺系統(tǒng)分析研究

1.1計算機視覺技術(shù)及雙目立體視覺

計算機視覺是通過計算機技術(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，并通過計算機信號處理技術(shù)隊獲取的視覺信號進行處理。計算機視覺技術(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和紅外線等技術(shù)對周圍視覺事物進行獲取，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。計算機視覺系統(tǒng)的最基本的功能是數(shù)字圖像的獲取。可以看出計算機視覺研究最基本內(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)理論框架是計算機視覺系統(tǒng)的基本框架，與計算機視覺技術(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個層次進行研究。計算機理論層次主要是表達系統(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行分析和識別，通過計算對二維物體位置和形狀進行重新建立。算法層次對計算機規(guī)定的目標(biāo)進行計算，算法和計算機表達有關(guān)，不同的表達可以通過不同的算法進行實現(xiàn)，在計算機理論的層次上，算法和表達比計算機理論的層次要低。硬件層次是通過硬件來實現(xiàn)算法的一種表達方法。計算機理論層次在計算機信息處理中時最高的層次，取決于計算機的本質(zhì)是解決計算機的自身問題，不是取決于計算問題的計算機硬件。要更好地對計算機系統(tǒng)和框架進行理解最好的方法就是要區(qū)分3個不同的層次，計算機理論的含義和主要解決的問題是計算機的目的，表達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，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和算法進行實現(xiàn)。計算機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。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)的一種計算機算法。立體匹配算法作為計算機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。計算機立體視覺通過對人的雙眼進行模仿，在雙眼的立體感知中獲得信息，從攝像機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）進行確定，如果攝像機的坐標(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)。