视差图Disparity与深度图Depth Map

1万 · 2023-3-13 17:41

双目立体视觉，在百度百科里的解释是这样解释的：双目立体视觉（Binocular Stereo Vision）是机器视觉的一种重要形式，它是基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息的方法。

一、视差 Disparity与深度图

提到双目视觉就不得不提视差图：双目立体视觉融合两只眼睛获得的图像并观察它们之间的差别，使我们可以获得明显的深度感，建立特征间的对应关系，将同一空间物理点在不同图像中的映像点对应起来，这个差别，我们称作视差(Disparity)图像。

对于视差的理解自己可以体验一下：将手指头放在离眼睛不同距离的位置，并轮换睁、闭左右眼，可以发现手指在不同距离的位置，视觉差也不同，且距离越近，视差越大。

那么提到视差图，就有深度图，深度图像也叫距离影像，是指将从图像采集器到场景中各点的距离（深度）值作为像素值的图像。获取方法有：激光雷达深度成像法、计算机立体视觉成像、坐标测量机法、莫尔条纹法、结构光法。

那么这里引申一下深度图与点云的区别，点云：当一束激光照射到物体表面时，所反射的激光会携带方位、距离等信息。若将激光束按照某种轨迹进行扫描，便会边扫描边记录到反射的激光点信息，由于扫描极为精细，则能够得到大量的激光点，因而就可形成激光点云。

深度图像经过坐标转换可以计算为点云数据；有规则及必要信息的点云数据可以反算为深度图像。两者在一定条件下是可以相互转化的，之前的博客里，有使用PCL库实现过点云提取深度图，当然给出相机参数也是可以由深度图转为点云的。截图一个深度图：

1万 · 2023-3-13 17:43

所以深度与视差的关系如下

比如绝对差值法，绝对差值图的计算方法如下：

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D=|L-R|

式中，L、R和D分别代表左视图、右视图和对应的绝对差值图的亮度值。绝对差值图并不是严格意义上的视差图，但是它的计算方法最为简单，速度快，它给出的结果可以作为参考

1万 · 2023-3-13 17:47

那么我们知道视差又有另外一个概念就是UV-disparity mapping，简单的给个图表示：

是怎么得到这个结果的呢？原来是统计视差的个数，比如V-disparity Map中的第一行分别统计视差为0,1,2,3,4,5的个数，所以得到了V-disparity Map的第一行分别为

0,2,0,1,1,1，那么在真实的图像中得到的结果如下：

那么利用视差可以做很多有用的功能，比如列举一篇文章

UV disparity based obstacle detection and pedestrian classification in urban traffic scenarios

1万 · 2023-3-13 17:52

二 Rays
ray就是连接图像上一点到光心形成的一条射线。这个也是之后的对极约束的基础。

那么建立世界坐标系，我们的两条rays是相交的。如下图所示，接下来就是利用rays的相交关系，来解释対极几何（Epipolar geometry ）了。

以上的图文说明了对极几何（Epipolar Geometry）描述的是两幅视图之间的内在射影关系，与外部场景无关，只依赖于摄像机内参数和这两幅试图之间的的相对姿态。

1万 · 2023-3-13 17:53

有以下几种概念

1. 基线（baseline）：直线Oc-Oc'为基线。

2. 对极平面束（epipolar pencil）：以基线为轴的平面束。

3. 对极平面（epipolar plane）：任何包含基线的平面都称为对极平面。

4. 对极点（epipole）：摄像机的基线与每幅图像的交点。比如，上图中的点e和e'。

5. 对极线（epipolar line）：对极平面与图像的交线。比如，上图中的直线l和l'。

6. 5点共面：点x，x'，摄像机中心Oc Oc'，空间点X是5点共面的。

7. 极线约束：两极线上点的对应关系。

说明：

直线l是对应于点x'的极线，直线l'是对应于点x的极线。极线约束是指点x'一定在对应于x的极线l'上，点x一定在对应于x'的极线l上。

根据以上原理就得出了基础矩阵F和本质矩阵E等，网上有很多资料的

这里直接将推导公式贴出来就好了

本质矩阵E的基本性质：秩为2，且仅依赖于外部参数R和T。其中，P表示世界坐标点矢量，p表示像素点矢量

那么基础矩阵求法：由于本质矩阵E并不包含相机内参信息，且E是面向相机坐标系的。实际上，我们更感兴趣的是在像素坐标系上去研究一个像素点在另一视图上的对极线，这就需要用到相机内参信息将相机坐标系和像素坐标系联系起来。假设Pl和Pr是世界坐标值，其对应的像素坐标值为Ql和Qr

相机内参矩阵为M，那么

根据

那么

令基础矩阵

那么

也就是我们在下图的第一幅图找到一个特征点，通过以上対极几何的知识推导出，该点在第二幅图位于图像的哪个位置

1万 · 2023-3-13 17:54

举个例子，比如kinect

无论是双目还是kinect都是类似的原理

f=Focal length

b=Baseline

d=Disparity value

ps=Pixel size

D=Depth

Focal length

Baseline

Pixel size

Disparity

1万 · 2023-3-13 17:54

备注：

（Pixel size）像素大小是图像传感器中单个像素的大小。像素大小用微米表示。由于立体视觉系统使用两个摄像机，图像传感器的像素大小必须相同。随着像素尺寸的减小，系统的深度范围增大。

（Disparity value）视差是指在两个摄像机图像之间的像素位置的差异。假设立体视觉相机中的左图像在位置(1,30)具有像素，并且相同的像素在右图像中的位置(4,30)存在，视差值或差值为(4-1)=3。视差值与上述公式的深度成反比。

视差图Disparity与深度图Depth Map

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