非局部立体匹配算法的研究及在双目测距系统中的应用

摘要

双目立体视觉是计算机视觉的重要组成部分，它通过两个摄像机在不同位置采集图像，对同一个空间点在左右两幅图像的投影点进行匹配生成视差图，利用空间映射获取目标物体的长宽高信息，实现被动式目标物体的测量。在工业生产、无人机航拍、智能交通等方面双目视觉技术得到了广泛的应用。
　　本文以立体匹配算法为重点研究方向，对摄像机成像模型、摄像机标定、目标物体距离测量等技术进行了分析，设计实现了一个基于非局部立体匹配算法的双目立体测距系统。首先针对摄像机成像的特点，介绍了几个坐标系之间的关系，从理论上解释了摄像机成像原理；然后通过标定进行水平共面校正，对校正过的左右两幅图像进行立体匹配；最后根据三角测距原理计算目标物体的距离信息。其中，对非局部匹配算法提出了改进算法。本文主要的工作和创新点如下：
　　（1）研究了双目视觉系统模型、测距原理以及摄像机模型，对摄像机的单目和双目标定技术展开研究，简单分析了其数学原理，并通过图像校正实验验证了本文选取的摄像机标定技术有效性。
　　（2）针对目前非局部立体匹配算法中由于噪音，低纹理，重复纹理等特殊状况导致匹配效率低的问题，提出一种基于原始图像和增强图像结合的非局部立体匹配算法。该算法以最小生成树代价聚合的非局部立体匹配算法为基础，结合原始图像和最小生成树滤波后的增强图像进行匹配代价计算，以此来获得高质量的初始视差图。
　　（3）针对左右两幅图像因遮挡、视差不连续区域导致初始视差图含有误匹配的问题，在视差细化部分，提出一种基于支持区域的颜色加权与视差加权的联合填充算法。实验结果表明，本文提出的匹配算法降低了误匹配率，有效的提高了整个视差图的准确度。
　　（4）综合运用以上内容设计和搭建了一套双目立体视觉测距系统，完成了各个关键技术的研究开发工作。在立体匹配算法模块，通过比较经典的半全局立体匹配算法和本文改进的匹配算法的实验结果，最终选取本文改进的算法作为双目测距系统的搭建算法，通过双目测距系统验证了改进算法的有效性和实用性。并根据实验所得的数据对整个测量结果做了全面细致的精度和误差分析。

目录

第一章 绪论

§1.1 课题研究目的和意义

§1.2 双目视觉研究现状及发展前景

§1.3 立体匹配的现状与难点

§1.4 论文主要研究内容和组织结构

第二章 双目测距系统原理和结构

§2.1 双目视觉测距系统模型

§2.2 双目视觉测距原理

§2.3 双目测距系统的设计步骤

§2.4 本章小结

第三章 摄像机标定技术研究和实现

§3.1 摄像机成像模型

§3.2 摄像机标定

§3.3 摄像机标定实验及结果分析

§3.4 本章小结

第四章 双目视觉测距系统中的非局部立体匹配

§4.1 双目视觉立体匹配算法的分类

§4.2 基于改进最小生成树的立体匹配算法

§4.3 实验结果分析

§4.4 本章小结

第五章 双目测距系统平台的搭建及物体测距

§5.1 双目测距系统的硬件设备

§5.2 双目测距系统的界面设计及主要功能介绍

§5.3测距实验与结果分析

§5.4 本章小结

第六章 总结与展望

§6.1 工作总结

§6.2 课题展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士研究生期间主要研究成果