【计算机视觉】 完全基于opencv的双目景深与测距的实现

转载 Joe_quan的

http://blog.csdn.net/hysteric314/article/details/50456570?locationNum=3&fps=1

目录

1 说明

怕以后忘了，现在总结一下前一段时间一直在弄的，有关双目视觉的东西。 
双目视觉的原理网上有很多，我只简单记录一下我对于这个的理解。 
具体的实现主要是参考大神的博客： 
http://blog.csdn.net/chenyusiyuan/article/list/1 
和这两篇博文： 
http://blog.csdn.net/sunanger_wang/article/details/7744015 
http://blog.csdn.net/scyscyao/article/details/5443341

运行环境： 
1.windows10 
2.opencv 2.4.9 
3.visual studio 2013 
4.两颗微软HD-3000摄像头

2 双目测距原理

先说一下自己对双目视觉实现原理的理解，不保证都是正确的： 
首先就是这个经典的图： 

这个图简单的说明了双目测距的基本原理，就是想方设法求出距离Z。 
右下角Z的那个等式右边的参数中： 
f是每个摄像头自己的焦距，也就是传感器到镜头之间的距离。 
T是两个摄像头的镜头之间的距离，这些都是确定的。 
d是不确定的，d是一个物体在分别两个传感器上所成的像，也就是xl和xr之间的距离，是个变量。

所以为了得出距离，每次就需要获得d的值，之后根据相似三角形原理就可以求出Z。

现在问题来了，为什么上面那个图，摄像头的传感器和镜头位置是反的呢？ 
看这个图： 

为了数学上的处理方便，研究人员通常习惯采用虚拟平面V来替代成像平面I，其中虚拟平面V位于焦距平面F与物体之间，与成像平面关于焦点平面对称。

3 opencv实现双目测距的原理

上面就是双目视觉的简单原理介绍，公式什么的不想往上写了，跟实现什么的也没多大关系。 
原理归原理，用opencv实现双目视觉的时候就是又一码事了。 
在opencv上实现双目测距主要步骤是：

1.双目校正和标定，获得摄像头的参数矩阵： 
进行标定得出俩摄像头的参数矩阵 
cvStereoRectify 执行双目校正 
initUndistortRectifyMap 分别生成两个图像校正所需的像素映射矩阵 
cvremap 分别对两个图像进行校正

2.立体匹配，获得视差图： 
stereoBM生成视差图 
预处理： 图像归一化，减少亮度差别，增强纹理 
匹配过程： 滑动sad窗口，沿着水平线进行匹配搜索，由于校正后左右图片平行，左图的特征可以在右图对应行找到最佳匹配 
再过滤： 去除坏的匹配点 通过uniquenessratio 
输出视差图disparity：如果左右匹配点比较稠密，匹配点多，得到的图像与原图相似度比较大， 如果匹配点比较稀疏，得到的点与原图 相似度比较小

3.得出测距：

把生成的视差图输入 reprojectImageTo3D（）函数，生成3D点云，3D点云中保存有2D图像的三维坐标，再读出每帧图像的三维坐标中的z轴的值，就得出了距离数据。

4 双目测距代码说明

我的这个双目程序写是很简单和普通，部分关键代码借鉴了大神的代码，其实说是代码其实只不过是某些opencv函数的使用方式而已，在大体上还是有很大的不同：

首先大神的程序整个都是基于MFC的，这样做的话如果你想移植到arm板子上或是linux系统上就会很麻烦，所以我把整个程序包括图像显示，视差图显示，距离显示等都完全使用opencv的函数来实现。

再者，在大神的程序中输出距离的方式，我的理解是，首先得检测到最近的物体的轮廓，然后在三维点云中提取出这个轮廓的距离坐标。但是实现起来不是很理想，如果视差图的质量不高，根本检测不到轮廓，不会触发这个函数，更别提距离了。所以在我的程序中，得出距离的方式是用鼠标点视差图的某个点，就会显示这个点的距离，不过至今距离信息也不是很准确，有可能是一些参数没弄好。

需要说明的是，对于两个摄像头来说，他们之间参数矩阵只有一个（如果两摄像头间相对位置不变的话），所以定标过程只需要一次即可。所以我的程序并没有弄标定的东西（嫌麻烦），而是从外部读取calib_paras.xml这个参数文件，这个文件可以通过大神的代码来定标然后生成出来，还应该可以从matlab的标定工具箱来生成（下面的链接），不过我没弄（matlab生成出的参数数据不知道怎么用）。 
http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc/

5 双目测距的代码和实现

我的这个程序只负责打开摄像头，显示图像，生成视差图，显示视差图，求出点云，得出距离，显示距离。 
也就是说他是在标定过程之后开始的，程序里没有摄像头定标的过程和函数，所以要正确运行是需要calib_paras.xml这个文件的，也就是标定后得出的参数文件，可以通过运行大神的代码定标后生成。 
而且为了保证你能正确成功的运行，最好确保你的电脑能运行的了大神的程序（地址如下）。 
https://github.com/yuhuazou/StereoVision

我的程序：

#include "opencv2/video/tracking.hpp"
#include "opencv2/imgproc/imgproc.hpp"
#include "opencv2/highgui/highgui.hpp"
//#include <cv.h>
#include <cxmisc.h>
#include <highgui.h>
#include <cvaux.h>
#include <iostream>
#include <ctype.h>
//#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>#include <vector>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <ctype.h>
#include <stdarg.h>
#include <string.h>#include <stdio.h>using namespace cv;
using namespace std;//vector<Point2f> point1, point2;
bool left_mouse = false;
Point2f point;
int pic_info[4];
Mat gray, prevGray, image, image1;
const Scalar GREEN = Scalar(0, 255, 0);
int rect_width = 0, rect_height = 0;
Point tmpPoint;
int num = 0;
int m_frameWidth = 640;
int m_frameHeight = 480;
bool    m_Calib_Data_Loaded;        // 是否成功载入定标参数
cv::Mat m_Calib_Mat_Q;              // Q 矩阵
cv::Mat m_Calib_Mat_Remap_X_L;      // 左视图畸变校正像素坐标映射矩阵 X
cv::Mat m_Calib_Mat_Remap_Y_L;      // 左视图畸变校正像素坐标映射矩阵 Y
cv::Mat m_Calib_Mat_Remap_X_R;      // 右视图畸变校正像素坐标映射矩阵 X
cv::Mat m_Calib_Mat_Remap_Y_R;      // 右视图畸变校正像素坐标映射矩阵 Y
cv::Mat m_Calib_Mat_Mask_Roi;       // 左视图校正后的有效区域
cv::Rect m_Calib_Roi_L;             // 左视图校正后的有效区域矩形
cv::Rect m_Calib_Roi_R;             // 右视图校正后的有效区域矩形
double          m_FL;
//CvStereoBMState *BMState = cvCreateStereoBMState();
int m_numberOfDisparies;            // 视差变化范围
cv::StereoBM    m_BM;
CvMat* vdisp = cvCreateMat(480, 640, CV_8U);
cv::Mat img1, img2, img1p, img2p, disp, disp8u, pointClouds, imageLeft, imageRight, disparityImage, imaget1;
static IplImage *framet1 = NULL;
static IplImage *framet2 = NULL;
static IplImage *framet3 = NULL;
static IplImage *framet = NULL;static void onMouse(int event, int x, int y, int /*flags*/, void* /*param*/){Mat mouse_show;image.copyTo(mouse_show);//char buffer[100];//sprintf(buffer, "D:\\l%d.jpg", num);//string t1(buffer);//sprintf(buffer, "D:\\r%d.jpg", num);//string t(buffer);if (event == CV_EVENT_LBUTTONDOWN){pic_info[0] = x;pic_info[1] = y;cout << "x:" << pic_info[0] << "y:" << pic_info[1] << endl;left_mouse = true;//用于存储打印图片//imwrite(t, image);//  imwrite(t1, image1);//  num = num++;}else if (event == CV_EVENT_LBUTTONUP){left_mouse = false;}else if ((event == CV_EVENT_MOUSEMOVE) && (left_mouse == true)){}
}int loadCalibData()
{// 读入摄像头定标参数 Q roi1 roi2 mapx1 mapy1 mapx2 mapy2try{cv::FileStorage fs("calib_paras.xml", cv::FileStorage::READ);cout << fs.isOpened() << endl;if (!fs.isOpened()){return (0);}cv::Size imageSize;cv::FileNodeIterator it = fs["imageSize"].begin();it >> imageSize.width >> imageSize.height;//  if (imageSize.width != m_frameWidth || imageSize.height != m_frameHeight)   {           return (-1);        }vector<int> roiVal1;vector<int> roiVal2;fs["leftValidArea"] >> roiVal1;m_Calib_Roi_L.x = roiVal1[0];m_Calib_Roi_L.y = roiVal1[1];m_Calib_Roi_L.width = roiVal1[2];m_Calib_Roi_L.height = roiVal1[3];fs["rightValidArea"] >> roiVal2;m_Calib_Roi_R.x = roiVal2[0];m_Calib_Roi_R.y = roiVal2[1];m_Calib_Roi_R.width = roiVal2[2];m_Calib_Roi_R.height = roiVal2[3];fs["QMatrix"] >> m_Calib_Mat_Q;fs["remapX1"] >> m_Calib_Mat_Remap_X_L;fs["remapY1"] >> m_Calib_Mat_Remap_Y_L;fs["remapX2"] >> m_Calib_Mat_Remap_X_R;fs["remapY2"] >> m_Calib_Mat_Remap_Y_R;cv::Mat lfCamMat;fs["leftCameraMatrix"] >> lfCamMat;m_FL = lfCamMat.at<double>(0, 0);m_Calib_Mat_Q.at<double>(3, 2) = -m_Calib_Mat_Q.at<double>(3, 2);m_Calib_Mat_Mask_Roi = cv::Mat::zeros(m_frameHeight, m_frameWidth, CV_8UC1);cv::rectangle(m_Calib_Mat_Mask_Roi, m_Calib_Roi_L, cv::Scalar(255), -1);m_BM.state->roi1 = m_Calib_Roi_L;m_BM.state->roi2 = m_Calib_Roi_R;m_Calib_Data_Loaded = true;string method;fs["rectifyMethod"] >> method;if (method != "BOUGUET"){return (-2);}}catch (std::exception& e){m_Calib_Data_Loaded = false;return (-99);}return 1;}
void updatebm()
{m_BM.state->preFilterCap = 31;m_BM.state->SADWindowSize = 19;m_BM.state->minDisparity = 0;m_BM.state->numberOfDisparities = 96;m_BM.state->textureThreshold = 10;m_BM.state->uniquenessRatio = 25;m_BM.state->speckleWindowSize = 100;m_BM.state->speckleRange = 32;m_BM.state->disp12MaxDiff = -1;}
int  bmMatch(cv::Mat& frameLeft, cv::Mat& frameRight, cv::Mat& disparity, cv::Mat& imageLeft, cv::Mat& imageRight)
{// 输入检查if (frameLeft.empty() || frameRight.empty()){disparity = cv::Scalar(0);return 0;}if (m_frameWidth == 0 || m_frameHeight == 0){//if (init(frameLeft.cols, frameLeft.rows, "calib_paras.xml"/*待改为由本地设置文件确定*/) == 0) //执行类初始化//  {return 0;//}}// 转换为灰度图cv::Mat img1proc, img2proc;cvtColor(frameLeft, img1proc, CV_BGR2GRAY);cvtColor(frameRight, img2proc, CV_BGR2GRAY);// 校正图像，使左右视图行对齐    cv::Mat img1remap, img2remap;//cout << m_Calib_Data_Loaded << endl;if (m_Calib_Data_Loaded){remap(img1proc, img1remap, m_Calib_Mat_Remap_X_L, m_Calib_Mat_Remap_Y_L, cv::INTER_LINEAR);     // 对用于视差计算的画面进行校正remap(img2proc, img2remap, m_Calib_Mat_Remap_X_R, m_Calib_Mat_Remap_Y_R, cv::INTER_LINEAR);}else{img1remap = img1proc;img2remap = img2proc;}// 对左右视图的左边进行边界延拓，以获取与原始视图相同大小的有效视差区域cv::Mat img1border, img2border;if (m_numberOfDisparies != m_BM.state->numberOfDisparities)m_numberOfDisparies = m_BM.state->numberOfDisparities;copyMakeBorder(img1remap, img1border, 0, 0, m_BM.state->numberOfDisparities, 0, IPL_BORDER_REPLICATE);copyMakeBorder(img2remap, img2border, 0, 0, m_BM.state->numberOfDisparities, 0, IPL_BORDER_REPLICATE);// 计算视差cv::Mat dispBorder;m_BM(img1border, img2border, dispBorder);//cvFindStereoCorrespondenceBM(img1border, img2border, dispBorder,BMState);// 截取与原始画面对应的视差区域（舍去加宽的部分）cv::Mat disp;disp = dispBorder.colRange(m_BM.state->numberOfDisparities, img1border.cols);disp.copyTo(disparity, m_Calib_Mat_Mask_Roi);//reprojectImageTo3D(dispBorder, pointClouds, m_Calib_Mat_Q, true);// 输出处理后的图像//cout << m_Calib_Data_Loaded << endl;if (m_Calib_Data_Loaded){remap(frameLeft, imageLeft, m_Calib_Mat_Remap_X_L, m_Calib_Mat_Remap_Y_L, cv::INTER_LINEAR);rectangle(imageLeft, m_Calib_Roi_L, CV_RGB(0, 0, 255), 3);}elseframeLeft.copyTo(imageLeft);if (m_Calib_Data_Loaded)remap(frameRight, imageRight, m_Calib_Mat_Remap_X_R, m_Calib_Mat_Remap_Y_R, cv::INTER_LINEAR);elseframeRight.copyTo(imageRight);rectangle(imageRight, m_Calib_Roi_R, CV_RGB(0, 0, 255), 3);return 1;
}int getDisparityImage(cv::Mat& disparity, cv::Mat& disparityImage, bool isColor)
{// 将原始视差数据的位深转换为 8 位cv::Mat disp8u;if (disparity.depth() != CV_8U){if (disparity.depth() == CV_8S){disparity.convertTo(disp8u, CV_8U);}else{disparity.convertTo(disp8u, CV_8U, 255 / (m_numberOfDisparies*16.));}}else{disp8u = disparity;}// 转换为伪彩色图像 或 灰度图像if (isColor){if (disparityImage.empty() || disparityImage.type() != CV_8UC3 || disparityImage.size() != disparity.size()){disparityImage = cv::Mat::zeros(disparity.rows, disparity.cols, CV_8UC3);}for (int y = 0; y<disparity.rows; y++){for (int x = 0; x<disparity.cols; x++){uchar val = disp8u.at<uchar>(y, x);uchar r, g, b;if (val == 0)r = g = b = 0;else{r = 255 - val;g = val < 128 ? val * 2 : (uchar)((255 - val) * 2);b = val;}disparityImage.at<cv::Vec3b>(y, x) = cv::Vec3b(r, g, b);}}}else{disp8u.copyTo(disparityImage);}return 1;
}int getPointClouds(cv::Mat& disparity, cv::Mat& pointClouds)
{if (disparity.empty()){return 0;}//计算生成三维点云
//  cv::reprojectImageTo3D(disparity, pointClouds, m_Calib_Mat_Q, true);reprojectImageTo3D(disparity, pointClouds, m_Calib_Mat_Q, true);pointClouds *= 1.6;for (int y = 0; y < pointClouds.rows; ++y){for (int x = 0; x < pointClouds.cols; ++x){cv::Point3f point = pointClouds.at<cv::Point3f>(y, x);point.y = -point.y;pointClouds.at<cv::Point3f>(y, x) = point;}}return 1;
}void detectDistance(cv::Mat& pointCloud)
{if (pointCloud.empty()){return;}// 提取深度图像vector<cv::Mat> xyzSet;split(pointCloud, xyzSet);cv::Mat depth;xyzSet[2].copyTo(depth);// 根据深度阈值进行二值化处理double maxVal = 0, minVal = 0;cv::Mat depthThresh = cv::Mat::zeros(depth.rows, depth.cols, CV_8UC1);cv::minMaxLoc(depth, &minVal, &maxVal);double thrVal = minVal * 1.5;threshold(depth, depthThresh, thrVal, 255, CV_THRESH_BINARY_INV);depthThresh.convertTo(depthThresh, CV_8UC1);//imageDenoising(depthThresh, 3);double  distance = depth.at<float>(pic_info[0], pic_info[1]);cout << "distance:" << distance << endl;
}int main(int argc, char** argv)
{//读取摄像头VideoCapture cap(0); VideoCapture cap1(1);if (!cap.isOpened()){cout << "error happened while open cam 1"<<endl;return -1;}if (!cap1.isOpened()){cout << "error happened while open cam 2" << endl;return -1;}namedWindow("left", 1);namedWindow("right", 1);namedWindow("disparitycolor", 1);setMouseCallback("disparitycolor", onMouse, 0);loadCalibData();cout << m_Calib_Data_Loaded << endl;while (true){Mat frame;Mat frame1;cap.read(frame);cap1.read(frame1);if (frame.empty())          break;if (frame1.empty())         break;frame.copyTo(image);frame1.copyTo(image1);updatebm();bmMatch(frame, frame1, disp, imageLeft, imageRight);imshow("left", imageLeft);imshow("right", imageRight);getDisparityImage(disp, disparityImage, true);//  framet2 = &IplImage(disparityImage);//  cvShowImage("disparitycolor", framet2);getPointClouds(disp, pointClouds);imshow("disparitycolor", disparityImage);detectDistance(pointClouds);waitKey(100);}//std::swap(point2, point1);//  cv::swap(prevGray, gray);return 0;}
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我的使用的双目摄像头 

正面照片 

程序跑出来的效果截图 

截图中分别是左右摄像头的图像，距离显示，和视差图显示。

能看出视差图不是很准，首先是因为参数没时间仔细调，再关键是总是有人来动我的摄像头，花了半天时间来标定好，别人拿手一掰一碰，俩摄像头相对位置就又变了，前面标定的工作全白费，后来索性就不管了。

视差图不准，距离信息也肯定不是很准，大多数情况是16000，上面的图里用鼠标点视差图中红色那一条，距离显示中首先会输出该点的x，y坐标，然后就是该点的距离坐标，也就是这个点z轴的值。

总体来说就是还得调。

6 接下来

以上就差不多是前段时间弄的东西，本打算把双目测距移植到NVIDIA jetson tk1上看看效果，不过没弄完，目前进程是：上面的代码已经可以在tk1上编译成功了，就是死活运行不了，我怀疑是tk那个板子是不是不支持打开和显示俩摄像头，这个问题花点时间我觉得应该是可以解决的，不过现在弄别的东西了，也懒得查了。