一种水下双目视觉测距方法研究

A. 水下地形图的测量方法

一般有断面法，角度交会法，断面角度交会法，极坐标法，六分仪法，距离交会法（微波测距)，GPS全球定位系统定位，双曲线无线电定位法和卫星多普勒定位法等。

1、断面法：沿断面测量水深。在水流湍急的河段，测船难以循断面行驶或锚定船位时，间或以钢缆固定厨面，沿钢缆遂点定位侧出水深。

2、角度交会法：以2~3台经纬仪或平板仪在岸上已知点设站，同步测定方向、交会船在测深时的点位。常用于流速较大的河段。

3、断面角度交会法：断面祛和角度交会法的结合。测船沿确定的断面航行，同时用1~2台经纬仪或平板仪测定方向，与断面线相交，确定船上的测深点位。

4、极坐标法：以电磁波测距仪或经纬仪在岸上已知点设站并选定零方向，测最测深点的距离和水平角，确定点位。

5、六分仪法：在船上靠近测深点处以2台六分仪同步观测岸上已知点，确定点位，适用于能目视观测岸，上目标的较开阔水域。

(1)一种水下双目视觉测距方法研究扩展阅读

水深测量的传统工具是测深杆和测深锤。现代普遍使用回声测深仪，精度和效率均大为提高，最大测深可达10000m，并已从单频、单波束发展到多频、多波束，从点状、线状测深发展到带状测深，从单纯测深发展到图像显示和实时绘图。

例如海底地貌探测仪(又称侧扫声纳)，可探测礁石、沉船等船底航行障碍物的概略位置、范围、形状、性质和海底表面形态，并以图像显示。多被束测深系统能同时发射数十个相邻的窄波束，配合微处理机精确测出，并以图像显示一定宽度的航行线水下障碍物位置，深度、范围、形状以及海底的地貌，由机助绘图仪绘出等深线图。

此外，还在探索利用双频激光、卫星像片或航空像片测量解译水深，为水深测量技术的发展开辟新的途径。

B. 双目视觉测距原理

单目测距原理：

先通过图像匹配进行目标识别（各种车型、行人、物体等），再通过目标在图像中的大小去估算目标距离。这就要求在估算距离之前首先对目标进行准确识别，是汽车还是行人，是货车、SUV还是小轿车。准确识别是准确估算距离的第一步。要做到这一点，就需要建立并不断维护一个庞大的样本特征数据库，保证这个数据库包含待识别目标的全部特征数据。比如在一些特殊地区，为了专门检测大型动物，必须先行建立大型动物的数据库；而对于另外某些区域存在一些非常规车型，也要先将这些车型的特征数据加入到数据库中。如果缺乏待识别目标的特征数据，就会导致系统无法对这些车型、物体、障碍物进行识别，从而也就无法准确估算这些目标的距离。

单/双目方案的优点与难点

从上面的介绍，单目系统的优势在于成本较低，对计算资源的要求不高，系统结构相对简单；缺点是：（1）需要不断更新和维护一个庞大的样本数据库，才能保证系统达到较高的识别率；（2）无法对非标准障碍物进行判断；（3）距离并非真正意义上的测量，准确度较低。

双目检测原理：

通过对两幅图像视差的计算，直接对前方景物（图像所拍摄到的范围）进行距离测量，而无需判断前方出现的是什么类型的障碍物。所以对于任何类型的障碍物，都能根据距离信息的变化，进行必要的预警或制动。双目摄像头的原理与人眼相似。人眼能够感知物体的远近，是由于两只眼睛对同一个物体呈现的图像存在差异，也称“视差”。物体距离越远，视差越小；反之，视差越大。视差的大小对应着物体与眼睛之间距离的远近，这也是3D电影能够使人有立体层次感知的原因。

上图中的人和椰子树，人在前，椰子树在后，最下方是双目相机中的成像。其中，右侧相机成像中人在树的左侧，左侧相机成像中人在树的右侧，这是因为双目的角度不一样。再通过对比两幅图像就可以知道人眼观察树的时候视差小，而观察人时视差大。因为树的距离远，人的距离近。这就是双目三角测距的原理。双目系统对目标物体距离感知是一种绝对的测量，而非估算。

理想双目相机成像模型

根据三角形相似定律：

根据上述推导，要求得空间点P离相机的距离（深度）z，必须知道：
1、相机焦距f，左右相机基线b（可以通过先验信息或者相机标定得到）。
2、视差 ：，即左相机像素点(xl, yl)和右相机中对应点(xr, yr)的关系，这是双目视觉的核心问题。

重点来看一下视差（disparity），视差是同一个空间点在两个相机成像中对应的x坐标的差值，它可以通过编码成灰度图来反映出距离的远近，离镜头越近的灰度越亮；

极线约束

对于左图中的一个像素点，如何确定该点在右图中的位置？需要在整个图像中地毯式搜索吗？当然不用，此时需要用到极线约束。

如上图所示。O1，O2是两个相机，P是空间中的一个点，P和两个相机中心点O1、O2形成了三维空间中的一个平面PO1O2，称为极平面（Epipolar plane）。极平面和两幅图像相交于两条直线，这两条直线称为极线(Epipolar line)。

P在相机O1中的成像点是P1，在相机O2中的成像点是P2，但是P的位置是未知的。我们的目标是：对于左图的P1点，寻找它在右图中的对应点P2，这样就能确定P点的空间位置。

极线约束（Epipolar Constraint）是指当空间点在两幅图像上分别成像时，已知左图投影点p1，那么对应右图投影点p2一定在相对于p1的极线上，这样可以极大的缩小匹配范围。即P2一定在对应极线上，所以只需要沿着极线搜索便可以找到P1的对应点P2。

C. 双目立体视觉的简单介绍

双目立体视觉的简单介绍

1. 什么是视觉

视觉是一个古老的研究课题，同时又是人类观察世界、认知世界的重要功能和手段。人类从外界获得的信息约有75%来自视觉系统，用机器模拟人类的视觉功能是人们多年的梦想。视觉神经生理学，视觉心里学，特别是计算机技术、数字图像处理、计算机图形学、人工智能等学科的发展，为利用计算机实现模拟人类的视觉成为可能。在现代工业自动化生产过程中，计算机视觉正成为一种提高生产效率和检验产品质量的关键技术之一，如机器零件的自动检测、智能机器人控制、生产线的自动监控等;在国防和航天等领域，计算机视觉也具有较重要的意义，如运动目标的自动跟踪与识别、自主车导航及空间机器人的视觉控制等。

人类视觉过程可以看作是一个从感觉到知觉的复杂过程，从狭义上来说视觉的最终目的是要对场景作出对观察者有意义的解释和描述；从广义上说，是根据周围的环境和观察者的意愿，在解释和描述的基础上做出行为规划或行为决策。计算机视觉研究的目的使计算机具有通过二维图像信息来认知三维环境信息的能力，这种能力不仅使机器能感知三维环境中物体的几何信息(如形状、位置、姿态运动等)，而且能进一步对它们进行描述、存储、识别与理解，计算机视觉己经发展起一套独立的计算理论与算法。

2. 什么是计算机双目立体视觉

双目立体视觉 (Binocular StereoVision)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。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，如图一。

双目立体视觉 测量方法具有效率高、精度合适、系统结构简单、成本低等优点，非常适合于制造现场的在线、非接触产品检测和质量控制。对运动物体（包括动物和人体形体）测量中，由于图像获取是在瞬间完成的，因此立体视觉方法是一种更有效的测量方法。

双目立体视觉 系统是计算机视觉的关键技术之一，获取空间三维场景的距离信息也是计算机视觉研究中最基础的内容。

双目立体视觉 的开创性工作始于上世纪的60年代中期。美国MIT的Roberts通过从数字图像中提取立方体、楔形体和棱柱体等简单规则多面体的三维结构，并对物体的形状和空间关系进行描述，把过去的简单二维图像分析推广到了复杂的三维场景，标志着立体视觉技术的诞生。随着研究的深入，研究的范围从边缘、角点等特征的提取，线条、平面、曲面等几何要素的分析，直到对图像明暗、纹理、运动和成像几何等进行分析，并建立起各种数据结构和推理规则。特别是上世纪80年代初，Marr首次将图像处理、心理物理学、神经生理学和临床精神病学的研究成果从信息处理的角度进行概括，创立了视觉计算理论框架。这一基本理论对立体视觉技术的发展产生了极大的推动作用，在这一领域已形成了从图像的获取到最终的三维场景可视表面重构的完整体系，使得立体视觉已成为计算机视觉中一个非常重要的分支。

经过几十年来的发展，立体视觉在机器人视觉、航空测绘、反求工程、军事运用、医学成像和工业检测等领域中的运用越来越广。

3. 双目立体视觉系统

立体视觉系统由左右两部摄像机组成。如图二所示，图中分别以下标l和r标注左、右摄像机的相应参数。世界空间中一点A(X，Y，Z)在左右摄像机的成像面Cl和Cr上的像点分别为al(ul，vl)和ar(ur，vr)。这两个像点是世界空间中同一个对象点A的像，称为“共轭点”。知道了这两个共轭像点，分别作它们与各自相机的光心Ol和Or的连线，即投影线alOl和arOr，它们的交点即为世界空间中的对象点A(X，Y，Z)。这就是立体视觉的基本原理。

4. 博安盈双目立体视觉系统：平行光轴的系统结构

在平行光轴的立体视觉系统中（图三），左右两台摄像机的焦距及其它内部参数均相等，光轴与摄像机的成像平面垂直，两台摄像机的x轴重合，y轴相互平行，因此将左摄像机沿着其x轴方向平移一段距离b（称为基线baseline）后与右摄像机重合。

由空间点A及左右两摄像机的光心Ol、Or确定的极平面（Epipolar plane）分别与左右成像平面Cl、Cr的交线pl、pr为共轭极线对，它们分别与各自成像平面的坐标轴ul、ur平行且共线。在这种理想的结构形式中，左右摄像机配置的几何关系最为简单，极线已具有很好的性质，为寻找对象点A在左右成像平面上的投影点al和ar之间的匹配关系提供了非常便利的条件。

5. 双目立体视觉智能视频分析技术

恢复场景的3D信息是立体视觉研究中最基本的目标，为实现这一目标，一个完整的立体视觉系统通常包含六个模块：图像获取、摄像机标定、特征提取、立体匹配、三维恢复和视频分析（运动检测、运动跟踪、规则判断、报警处理）。

5.1. 图像获取（ImageAcquisition）

数字图像的获取是立体视觉的信息来源。常用的立体视觉图像一般为双目图像，有的采用多目图像。图像获取的方式有多种，主要由具体运用的场合和目的决定。立体图像的获取不仅要满足应用要求，而且要考虑视点差异、光照条件、摄像机性能和场景特点等方面的影响。

5.2. 摄像机标定（CameraCalibration）

立体视觉系统摄像机标定是指对三维场景中对象点在左右摄像机图像平面上的坐标位置al(ul，vl)、ar(ur，vr)与其世界空间坐标A(X，Y，Z)之间的映射关系的确立，是实现立体视觉三维模型重构中基本且关键的一步。

5.3. 特征提取（FeatureAcquisition）

特征提取的目的是要获取匹配赖以进行的图像特征，图像特征的性质与图像匹配的方法选择有着密切的联系。目前，还没有建立起一种普遍适用的获取图像特征的理论，因此导致了立体视觉研究领域中匹配特征的多样化。特征可以是像素相位匹配是近二十年才发展起来的一类匹配算法。相位作为匹配基元，本身反映信号的结构信息，对图像的高频噪声有很好的抑制作用，适于并行处理，能获得亚像素级精度的致密视差。但存在相位奇点和相位卷绕的问题，需加入自适应滤波器解决。或者是像素的集合，也可以是它们的抽象表达，如图像结构、图像目标和关系结构等。常用的匹配特征主要有点状特征、线状特征和区域特征等几种情形。

一般而言，尺度较大的图像特征蕴含较多的图像信息，且特征本身的数目较少，匹配效率高；但特征的提取和描述过程存在较大的困难，定位精度也较差。而对于尺度较小的图像特征来说，对其进行表达和描述相对简单，定位精度较高；但由于其本身数目较多，所包含的图像信息少，在匹配时需要采用较严格的约束条件和匹配策略，以尽可能地减少匹配歧义和提高匹配效率。总的来说，好的匹配特征应该具有要可区分性、不变性、唯一性以及有效解决匹配歧义的能力。

5.4. 图像匹配（ImageMatching）

在立体视觉中（图二、图三），图像匹配是指将三维空间中一点A(X，Y，Z)在左右摄像机的成像面Cl和Cr上的像点al(ul，vl)和ar(ur，vr)对应起来。图像匹配是立体视觉中最重要也是最困难的问题，一直是立体视觉研究的焦点。当空间三维场景经过透视投影（PerspectiveProjection）变换为二维图像时，同一景物在不同视点的摄像机图像平面上的成像会发生不同程度的扭曲和变形，而且场景中的光照条件、被测对象的几何形状和表面特性、噪声干扰和畸变、摄像机特性等诸多因素的影响都被集中体现在单一的图像灰度值中。显然，要对包含了如此之多不利因素的图像进行准确匹配是很不容易的。

5.5. 三维恢复（3DReconstruction）

在完成立体视觉系统的摄像机标定和图像匹配工作以后，就可以进行被测对象表面点的三维信息恢复。影响三维测量精度的因素主要有摄像机标定误差、CCD成像设备的数字量化效应、特征提取和匹配定位精度等。

5.6. 视频分析（运动检测、运动跟踪、规则判断、报警处理）

通过视差计算，得到全屏幕的视差图像后，采用背景建模的方式，得到运动前景物体的视差图像，再进行膨胀和腐蚀算法进行图像预处理，得到完整的可供分析的前景运动物体视差图。采用运动跟踪算法，全屏实时检测物体的大小、运动轨迹，并与事先设置的规则进行对比，如果有人进入或离开设置报警区域，系统则实时报警。

5.7. 视差效果图：

注：过滤掉距离地面60cm以内，200cm以上的视差值，即检测范围为60－200cm之间。故左边蹲下的人没有视差值。