基于地面控制點和能量優(yōu)化的魯棒立體匹配算法研究.pdf

1、立體視覺是根據(jù)同一場景所拍攝的兩幅或多幅圖像進行對比從而恢復出場景三維信息的一種技術。在其近三十年的發(fā)展中，取得了大量研究及應用成果，其中某些專用的立體視覺系統(tǒng)在工業(yè)、軍事、醫(yī)學等方面得到了廣泛的應用，但從整體上來看，立體視覺尤其是通用立體視覺系統(tǒng)仍是一個受到廣泛關注的研究領域，存在著許多研究難點，其中最關鍵的問題之一是立體匹配，也稱為立體對應點問題。
　　 由于需要從二維圖像信息來得到三維深度信息，因此立體匹配本身是一個病態(tài)問

2、題，存在諸如匹配不確定性、遮擋等難題?，F(xiàn)有的大量立體匹配算法在實時性、可靠性、魯棒性、普適性等方面均存在著各種程度上的不足。因此，在本文的研究中，針對立體匹配問題，提出了一種在地面控制點(GCP)指導下的，基于區(qū)域分割技術和能量優(yōu)化思想，采用分步迭代處理策略的高可靠性立體匹配算法。
　　 本算法主要內容及創(chuàng)新點包括：
　　 (1)地面控制點( GCP)在算法中具有重要的指導作用，不僅提供了區(qū)域分割所需要的前后景信息，也是

3、區(qū)域視差信息的主要來源。本算法中通過多種約束的使用來保證了GCP的高可靠性，為之后的一系列處理提供了一個較好的起點。另外，出于效率及實時性的考慮，本文中提出了一種基于梯度的方法來控制GCP的數(shù)量，同時在一定程度上也加強了GCP的可靠性。
　　 (2)本算法屬于“基于區(qū)域分割”的一類立體匹配算法。此類算法以“區(qū)域”作為匹配及處理基元，對視差不連續(xù)、遮擋等問題的處理往往具有較好的效果。但區(qū)域分割的準確度對最終結果影響較大，過粗的分割

4、會使得場景表面不清晰，過細的分割也會導致不能正確反映出表面視差變化情況。因此，本文中提出了一種在GCP指導下的基于圖切的區(qū)域迭代二次分割算法：首先使用一般的圖像分割技術獲得初始的區(qū)域集，然后對區(qū)域內的GCP進行k-均值聚類，對于存在兩個或兩個以上聚類的區(qū)域，使用基于圖切的前后景分離算法進行二次分割。此過程迭代進行，直到每個區(qū)域都包含不超過一個聚類為止。由于每個GCP聚類代表著一定的視差范圍，這樣所得到的區(qū)域集往往能正確反映出場景中不同表

5、面分布的情況。同時，區(qū)域內GCP聚類的過程也進一步加強了GCP的可靠性：通過聚類可以排除一部分離群點，使得GCP更為準確可靠。
　　 (3)區(qū)域的稠密視差分布往往是根據(jù)稀疏視差結果（通過相關窗匹配、塊匹配、特征匹配等獲得），通過內插、平面擬合或曲面擬合等處理得到。由于平面或曲面擬合方法往往處理較復雜且易受噪聲影響，因此研究中往往簡單地使用單一視差值來作為區(qū)域的整體視差，但這種方法存在著一些弊端，比如：區(qū)域能以單一視差進行填充的前

6、提是圖像過分割，而過分割及過分割所得到的較多區(qū)域會帶來較大的時空耗費；對于某些場景中存在較多曲面或斜面的情況，單一視差往往無法正確反映出場景表面的視差變化。因此，本文中使用了一種基于區(qū)域離散視差點來構造Delaunay三角網(wǎng)格進行三角片插值的方法：首先根據(jù)區(qū)域內GCP統(tǒng)計結果獲取區(qū)域視差變化區(qū)間，在此區(qū)間約束及視差連續(xù)性等約束下采用動態(tài)規(guī)劃算法來獲取區(qū)域邊界上的視差分布；然后選取部分邊界點與區(qū)域內部部分GCP組成頂點集，構造Delaun

7、ay三角網(wǎng)格；最后對每個三角片使用線性插值來獲得區(qū)域的稠密視差分布。這種方法避免了曲面擬合的復雜及高耗費，并且能一定程度上體現(xiàn)出場景表面的視差變化情況，所得到的視差結果也具有高精度（亞像素級）。
　　 (4)為了保證區(qū)域視差的準確性，本算法中對每個區(qū)域均按照能量優(yōu)化的思想來選取“最佳視差”，即通過定義區(qū)域上合適的能量函數(shù)，在來源于相鄰區(qū)域及內部GCP視差信息的候選視差集合中選取能量最小解作為區(qū)域的“最佳視差”。對于包含GCP聚類

8、的“已匹配區(qū)域”，使用“最佳視差”對視差結果進行驗證，防止由于GCP的誤匹配所導致的區(qū)域視差錯誤；對于不含GCP聚類的“未匹配區(qū)域”，使用“最佳視差”進行填充，這體現(xiàn)了正確的視差沿區(qū)域間進行傳播的過程。另外為了進一步強化視差傳播的可靠性，除了分步進行區(qū)域處理（首先處理“已匹配區(qū)域”，然后處理“未匹配區(qū)域”）外，對區(qū)域處理的順序則遵從“可靠性準則”的約束，即對于每個區(qū)域均按照某種可靠性準則計算其“可靠性”，優(yōu)先處理可靠性較高的區(qū)域。算法中