雙目視覺焦距雙目視覺系統的原理和設計

雙目立體視覺是機器視覺的一種重要形式，它是基於視差原理並由多幅影象獲取物體三維幾何資訊的方法。雙目立體視覺系統一般由雙攝像機從不同角度同時獲得被測物的兩幅數字影象，或由單攝像機在不同時刻從不同角度獲得被測物的兩幅數字影象，並基於視差原理恢復出物體的三維幾何資訊，重建物體三維輪廓及位置。

雙目立體視覺原理

雙目立體視覺三維測量是基於視差原理，下圖所示為簡單的平視雙目立體成像原理圖，兩攝像機的投影中心的連線的距離，即基線距為b。攝像機座標系的原點在攝像機鏡頭的光心處，座標系如圖所示。

事實上左右成像平面繪製在鏡頭的光心前f處，這個虛擬的影象平面座標系o1uv的u軸和v軸與和攝像機座標系的x軸和y軸方向一致。左右影象座標系的原點在攝像機光軸與平面的交點o1和o2。空間中某點p在左影象和右影象中相應的座標分別為p1(u1,v1)和p2(u2,v2)。

假定兩攝像機的影象在同乙個平面上，則點p影象座標的y座標相同，即v1=v2。由三角幾何關係得到：

由此可計算出空間中某點p在左攝像機座標系中的座標為：

因此，只要能夠找到空間中某點在左右兩個攝像機像面上的相應點，並且通過攝像機標定獲得攝像機的內外引數，就可以確定這個點的三維座標。

雙目立體視覺的系統結構以及精度分析

立體視覺系統的一般結構採用交叉擺放的兩個攝像機從不同角度觀測同一被測物體。也可以由乙個攝像機實現，如乙個攝像機通過給定方式的運動，在不同位置觀測同乙個靜止的物體，或者通過光學成像方式將兩幅影象投影到乙個攝像機，都可以滿足精度要求。

各種雙目視覺系統結構各有優缺點，這些結構適用於不同的應用場合。對要求大測量範圍和較高測量精度的場合，採用基於雙攝像機的雙目立體視覺系統比較合適；對測量範圍要求比較小，對視覺系統體積和質量要求嚴格，需要高速度實時測量物件，基於光學成像的單攝像機雙目立體視覺系統便成為最佳選擇。

為了得到更高的精度，應該使攝像機的焦距以及基線長度增大，同時應該使被測物體盡可能的靠近立體視覺系統。另外這個精度和視差的精度有直接的關係，無論在任何情況下，要確保立體影象對之間的交迭區域足夠大並且兩個攝像機應該大約對齊，也就是說每個攝像機繞光軸旋轉的角度不能太大。

在進行雙目視覺系統標定以及應用該系統進行測量時，要確保攝像機的內參和兩個攝像機相對位置關係不能夠發生變化，如果任何一項發生變化，則需要重新對雙目立體視覺系統進行標定。否則，將影響測量結果的精度。

雙目立體視覺系統標定

攝像機內引數的標定和單目視覺系統標定一致，雙目立體視覺系統的標定主要是指攝像機的內部引數標定後確定視覺系統的結構引數r和t(即兩個攝像機之間的位置關係，r和t分別為旋轉矩陣和平移向量)。

具體的標定過程：

1、將標定板放置在適當的位置，使它能夠在兩個攝像機中均可以完全成像。通過標定確定兩個攝像機的內部引數以及他們的外部引數(r1、t1與r2、t2)，則r1、t1表示左攝像機與世界座標系的相對位置，r2、t2表示右攝像機與世界座標系的相對位置。

2、假定空間中任意一點在世界座標系、左攝像機座標系和右攝像機座標系下的非齊次座標分別為xw、x1、x2，則：

雙目立體視覺的對應點匹配

由雙目立體視覺系統原理可以看出雙目立體視覺是建立在對應點的視差基礎之上，因此左右影象中各點的匹配關係成為雙目立體視覺技術的乙個極其重要的問題。然而，對於實際的立體影象對，求解對應問題極富挑戰性，可以說是雙目立體視覺中最困難的一步。

為了能夠增加匹配結果的準確性以及匹配演算法的速度，在匹配過程中通常會加入下列幾種約束：

1、極線約束。在此約束下，匹配點已經位於兩副影象中相應的極線上。

2、唯一性約束。兩副影象中的對應的匹配點應該有且僅有乙個。

3、視差連續性約束。除了遮擋區域和視差不連續區域外，視差的變化都是平滑的。

4、順序一致性約束。位於一副影象極線上的系列點，在另一幅影象中極線上有相同的順序。

雙目視覺焦距 雙目視覺系統的原理和設計