计算机视觉中立体匹配技术的研究

曲少军 鞠李聃

摘 要：计算机视觉研究的目的是为了实现人类视觉的功能，也就是利用二维影像来实现对客观世界三维场景的感知与理解。立体匹配技术是计算机视觉研究领域中最基本、最关键和最难彻底解决的问题之一。对这一技术进行研究可以使通过像点获取距离信息以及实现三维立体再现目标成为可能。因此，计算机视觉下的立体匹配技术是今后该领域研究的一个重点方向。基于计算机视觉下，文章主要介绍了立体匹配技术的相关内容、原理、主要算法及其未来发展的趋势。

关键词：立体匹配技术 计算机视觉 原理 算法 发展趋势

中途分类号：TP391.41 文献识别码：A 文章编号：1672-3791（2015）08（a）-0014-02

计算机等科学技术的飞速发展，使得其在人类视觉系统领域内得到了广泛的应用，并对人类肉眼观察难以看到的一些东西具有一定的辅助作用。其在人类视觉研究中所具有的巨大价值和意义使得其逐渐成为众人所追捧的一门技术。人们对视觉技术的不断探索，促使人们将视觉技术与计算机技术良好的融合在一起。立体匹配技术作为两者结合的产物，在计算机视觉下，研究立体匹配技术可以取得较好的成果。

1 立体匹配技术内容介绍

立体视觉是兴起于20世纪60年代中期的一门交叉性学科，对计算机视觉下，立体匹配技术的研究具有是十分重要的意义。它研究的主要内容是在借助成像技术的前提下，如何从图像中获取场景内物体的距离信息。实践证明，立体视觉在很多领域内都具有较大的应用价值，例如三维测量学、微操作系统的检测与控制以及虚拟现实等。实现立体视觉的基本方法是采用两个或多个视点对同一物体目标进行观察，以获取一组不同视角下的图像信息，然后利用视觉成像原理计算出不同图像中对应像素间的相位信息，进而对物体目标的空间位置进行较为准确的推断。

立体视觉进行匹配的过程主要分为两步。第一，在两个或多个点中找出其之间的对应关系，并在此基础上计算出各个点处的视差。第二，根据得出的视差信息借助一定的投影设备，将原始场景画面进行还原，在成像模型已知的前提下，可以直接通过对对应点所蕴含的视差信息进行恢复，进而完成图像信息的三维重建。由此可以看出，找出匹配的对应点是立体匹配技术中的关键。

2 立体匹配技术的原理

立体画也称为三维立体画，它不是一种图像，而是一种技术，一种使人们可以从三维立体图中获得二维平面图信息的技术。三维立体图是由一组相同的二维图片按照一定顺序大量堆积而成，所以其具有立体性效果。在正常情况下，通过人类肉眼观察，三维立体图像表面似乎毫无规则，但若借助一些特殊的技术和一些高科技的观察设备进行合理的观察，人们就可以看到一组井然有序的、神奇美妙的图片。

人类眼睛观察物体大致遵循以下原理，即当人类利用左、右眼对其所在的空间平面进行观察的时候，人们能够看到的都只是一些杂乱无序的图片。然而，当人类将左、右眼重新聚焦或是在观察画面过程中呈现出一定的层次感，那么人类左、右眼观察到的这组重复的画面在经过人脑识别以后，这些画面之间便会存在一定的距离差异，进而在人脑中形成一种立体感。

立体匹配技术正是基于人眼观察事物的原理，并且从两个不同的方向对事物进行观察，以从中获得目标图像的信息，然后通过对其进行一定的处理，最终获得三维重建的物体立体信息技术。

3 立体匹配技术主要算法

3.1 基于区域的匹配算法

对于给定场景一样的两幅图像，其尺度上图像对空间具有很大的相似性。若将图像对空间划分为许多个小图像块，那么每一个小图像块与划分前对应的图像相比都更为相似。由此可见，基于区域匹配算法的实质就是利用局部窗口之间灰度信息之间的相关程度，这种算法在细节较为丰富且变化较为平缓的地方可以达到较高的匹配精度。区域匹配算法对区域的确定通常是通过将图像对空间划分为许多个小图像块，或是通过改变图像对空间尺度的大小来实现。基于区域的匹配算法，以基准图中的待匹配点作为中心创建一个窗口，并用相邻区域图像像素的灰度值分布来表示该窗口的像素，接着在对准图中寻找像素与之相同的区域，再以其为中心创建一个相同的窗口，并同样将其相邻区域范围内像素与之相同的灰度值分布来作为该窗口的像素，这两个窗口之间的相似性必须能够满足一定的阈值条件。

3.2 基于相位的匹配算法

与其他两种算法相比，基于相位的匹配算法起步较晚，是近二十年才逐渐发展起来的。相位作为匹配算法中的基元，具有反映信号结构信息的功能，同时对图像的高频噪声还具有很好的抑制作用。相位匹配算法适用于并行处理，并能获取到精度为亚像素级别的致密视差。基于相位的匹配算法是在一种假定的基础之上建立的，这种假定认为像对中各对应点的局部相位是相等的。从平移定理的角度分析，信号在空间域中的平移能够在频率域上产生相互成比例的相位平移。从数学表达的角度来看，频率域信号的分析更有助于区域的分析。从变换空间支撑为无限的角度考虑，通常基于相位的匹配算法对像对间视差的获取是通过对带通滤波信号的相位信息进行处理而实现。相位差频率法和相位相关法是基于相位的匹配算法中最常采用的两种方法。

4 计算机视觉下立体匹配技术难点及发展趋势分析

现阶段的立体匹配技术主要是通过计算机来寻找所采集到的两幅或多幅图片中各像对之间的对应关系，然后根据这些关系对二维图像信息进行判定，最终生成三维重建。但在这一过程中，二维图像信息的匹配却面临重重困难，导致采集到的画面信息存在瑕疵，使得寻找图片匹配点的难度大大增加；选定场景中一些深度不连续的区域大多处于场景的边缘地带，而这些位置的图片采集容易出现边缘不清晰、像素不高等问题，又进一步给图像匹配带来了一定的难度等。

根据以上分析可知，目前的立体匹配技术在技术方面存在很多难点，而这些难点都在很大程度上限制了其在计算机技术领域中的应用和发展。因此，设计出准确、高效、快速、通用性强的立体匹配技术及其算法已成为其未来发展与研究的重点方向。

结合当前情况分析，可以大致推断出立体匹配技术接下来的发展方向主要体现在以下几方面。第一，逐渐由传统的双目视觉转变为多目视觉，由静态视觉转变为动态视觉，并通过增加信息的输入来降低视觉计算的难度。第二，在信息化时代的影响下，逐渐向着智能化的方向发展，并在基于知识、规则和模型的基础上制定出立体视觉研究方法。第三，立体匹配算法逐渐并行化。随着并行流水线机制和专用的信号处理机制在立体匹配技术中应用的越来越广泛和越来越成熟，不仅立体匹配系统会越来越具有实用性，而且会在很大程度上引导立体匹配算法区域并行化。

5 结语

通过眼睛的观看人们可以感受到外界事物的存在，可以看到外界有形事物的具体形态，可以清楚的了解到事物的立體信息，可以看到事物距离的远近。所以从某种角度而言，人类视觉感知系统就是一个立体感知系统。根据文章分析，计算机视觉下的立体匹配技术正是基于人眼视觉观察物体的原理。因此，将计算机技术与立体匹配技术进行完美的融合，不仅有助于人类视觉可以观察到物体三维结构中信息这一目标的实现，而且能够帮助人们更加容易的获取到物体的信息。

参考文献

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[2] 郭龙源.计算机视觉立体匹配相关理论与算法研究[D].南京：南京理工大学，2009.

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