2019-01-16

SGBM算法获取视差图

立体校正后的左右两幅图像得到后,匹配点是在同一行上的,可以使用OpenCV中的BM算法或者SGBM算法计算视差图。由于SGBM算法的表现要远远优于BM算法,因此采用SGBM算法获取视差图。SGBM中的参数设置如下:

int numberOfDisparities = ((imgSize.width / 8) + 15) & -16;

    cv::Ptr sgbm =cv::StereoSGBM::create(0, 16, 3);

    sgbm->setPreFilterCap(32);

    int SADWindowSize = 9;

    int sgbmWinSize = SADWindowSize > 0 ? SADWindowSize : 3;

    sgbm->setBlockSize(sgbmWinSize);

    intcn = imgL.channels();

    sgbm->setP1(8* cn*sgbmWinSize*sgbmWinSize);

    sgbm->setP2(32* cn*sgbmWinSize*sgbmWinSize);

    sgbm->setMinDisparity(0);

   sgbm->setNumDisparities(numberOfDisparities);

    sgbm->setUniquenessRatio(10);

    sgbm->setSpeckleWindowSize(100);

    sgbm->setSpeckleRange(32);

    sgbm->setDisp12MaxDiff(1);

    intalg = STEREO_SGBM;

    if(alg == STEREO_HH)

       sgbm->setMode(cv::StereoSGBM::MODE_HH);

    else if(alg == STEREO_SGBM)

       sgbm->setMode(cv::StereoSGBM::MODE_SGBM);

    else if(alg == STEREO_3WAY)

       sgbm->setMode(cv::StereoSGBM::MODE_SGBM_3WAY);

    sgbm->compute(imgL, imgR, disp);

默认计算出的是左视差图,如果需要计算右视差图,则将上面加粗的三条语句替换为下面前三条语句。由于视差值计算出来为负值,disp类型为16SC1,因此需要取绝对值,然后保存:

sgbm->setMinDisparity(-numberOfDisparities);

   sgbm->setNumDisparities(numberOfDisparities);

    sgbm->compute(imgR, imgL, disp);

    disp = abs(disp);

SGBM算法得到的左、右视差图如下,左视差图的数据类型为CV_16UC1,右视差图的数据类型为CV_16SC1 (SGBM中视差图中不可靠的视差值设置为最小视差(mindisp-1)*16。因此在此例中,左视差图中不可靠视差值设置为-16,截断值为0;右视差图中不可靠视差值设置为(-numberOfDisparities-1)*16,取绝对值后为(numberOfDisparities+1)*16,所以两幅图会有较大差别):

左视差图(不可靠视差值为0)

右视差图(不可靠视差值为 (numberOfDisparities+1)*16 )


如果将右视差图不可靠视差值也设置为0,则如下

至此,左视差图和右视差图遥相呼应。

2. 视差图空洞填充

视差图中视差值不可靠的视差大多数是由于遮挡引起,或者光照不均匀引起。既然牛逼如SGBM也觉得不可靠,那与其留着做个空洞,倒不如用附近可靠的视差值填充一下。

空洞填充也有很多方法,在这里我检测出空洞区域,然后用附近可靠视差值的均值进行填充。填充后的视差图

填充后左视差图

填充后右视差图


3. 视差图转换为深度图

视差的单位是像素(pixel),深度的单位往往是毫米(mm)表示。而根据平行双目视觉的几何关系(此处不再画图推导,很简单),可以得到下面的视差与深度的转换公式:

 depth = ( f * baseline) / disp

 上式中,depth表示深度图;f表示归一化的焦距,也就是内参中的fx; baseline是两个相机光心之间的距离,称作基线距离;disp是视差值。等式后面的均已知,深度值即可算出。

在上面我们用SGBM算法获取了视差图,接下来转换为深度图,函数代码如下:

/*

函数作用:视差图转深度图输入:dispMap ----视差图,8位单通道,CV_8UC1

K       ----内参矩阵,float类型输出:depthMap ----深度图,16位无符号单通道,CV_16UC1

*/

voiddisp2Depth(cv::Mat dispMap, cv::Mat&depthMap, cv::Mat K)

{

    inttype = dispMap.type();

    float fx = K.at<float>(0, 0);

    float fy = K.at<float>(1, 1);

    float cx = K.at<float>(0, 2);

    float cy = K.at<float>(1, 2);

    float baseline = 65; //基线距离65mm

    if(type == CV_8U)

    {

        const float PI = 3.14159265358;

        intheight = dispMap.rows;

        intwidth = dispMap.cols;

        uchar* dispData = (uchar*)dispMap.data;

        ushort* depthData = (ushort*)depthMap.data;

        for (int i = 0; i < height; i++)

        {

            for (int j = 0; j < width; j++)

            {

                intid = i*width + j;

                if(!dispData[id])  continue;  //防止0除

                depthData[id] =ushort( (float)fx *baseline / ((float)dispData[id]) );

            }

        }

    }

    else

    {

        cout <<"please confirm dispImg's type!"<< endl;

        cv::waitKey(0);

    }

}

注:png的图像格式可以保存16位无符号精度,即保存范围为0-65535,如果是mm为单位,则最大能表示约65米的深度,足够了。

上面代码中我设置深度图的精度为CV_16UC1,也就是ushort类型,将baseline设置为65mm,转换后保存为png格式即可。如果保存为jpg或者bmp等图像格式,会将数据截断为0-255。所以保存深度图,png格式是理想的选择。(如果不是为了获取精确的深度图,可以将baseline设置为1,这样获取的是相对深度图,深度值也是相对的深度值)

转换后的深度图如下;

 左深度图

  右深度图

空洞填充后的深度图,如下:

左深度图(空洞填充后)

 右深度图(空洞填充后)

视差图到深度图完成。

注:视差图和深度图中均有计算不正确的点,此文意在介绍整个流程,不特别注重算法的优化,如有大神望不吝赐教。

附:视差图和深度图的空洞填充

 步骤如下:

① 以视差图dispImg为例。计算图像的积分图integral,并保存对应积分图中每个积分值处所有累加的像素点个数n(空洞处的像素点不计入n中,因为空洞处像素值为0,对积分值没有任何作用,反而会平滑图像)。

② 采用多层次均值滤波。首先以一个较大的初始窗口去做均值滤波(积分图实现均值滤波就不多做介绍了,可以参考我之前的一篇博客),将大区域的空洞赋值。然后下次滤波时,将窗口尺寸缩小为原来的一半,利用原来的积分图再次滤波,给较小的空洞赋值(覆盖原来的值);依次类推,直至窗口大小变为3x3,此时停止滤波,得到最终结果。

③ 多层次滤波考虑的是对于初始较大的空洞区域,需要参考更多的邻域值,如果采用较小的滤波窗口,不能够完全填充,而如果全部采用较大的窗口,则图像会被严重平滑。因此根据空洞的大小,不断调整滤波窗口。先用大窗口给所有空洞赋值,然后利用逐渐变成小窗口滤波覆盖原来的值,这样既能保证空洞能被填充上,也能保证图像不会被过度平滑。

 空洞填充的函数代码如下,仅供参考:

  voidinsertDepth32f(cv::Mat& depth)

  {

     const intwidth = depth.cols;

     const intheight = depth.rows;

     float* data = (float*)depth.data;

    cv::Mat integralMap = cv::Mat::zeros(height, width, CV_64F);

    cv::Mat ptsMap = cv::Mat::zeros(height, width, CV_32S);

     double* integral = (double*)integralMap.data;

     int* ptsIntegral = (int*)ptsMap.data;

     memset(integral,0, sizeof(double) * width * height);

     memset(ptsIntegral,0, sizeof(int) * width * height);

     for (int i = 0; i < height; ++i)

     {

         intid1 = i * width;

         for (int j = 0; j < width; ++j)

         {

             intid2 = id1 + j;

             if (data[id2] > 1e-3)

             {

                 integral[id2] = data[id2];

                 ptsIntegral[id2] =1;

             }

         }

     }

     // 积分区间

     for (int i = 0; i < height; ++i)

     {

         intid1 = i * width;

         for (int j = 1; j < width; ++j)

         {

             intid2 = id1 + j;

             integral[id2] += integral[id2 -1];

             ptsIntegral[id2] +=ptsIntegral[id2 -1];

         }

     }

     for (int i = 1; i < height; ++i)

     {

         intid1 = i * width;

         for (int j = 0; j < width; ++j)

         {

             intid2 = id1 + j;

             integral[id2] += integral[id2 -width];

             ptsIntegral[id2] +=ptsIntegral[id2 - width];

         }

     }

     intwnd;

     double dWnd = 2;

     while (dWnd > 1)

     {

         wnd =int(dWnd);

         dWnd /=2;

         for (int i = 0; i < height; ++i)

         {

             intid1 = i * width;

             for (int j = 0; j < width; ++j)

             {

                 intid2 = id1 + j;

                 int left = j - wnd - 1;

                 intright = j + wnd;

                 int top = i - wnd - 1;

                 intbot = i + wnd;

                 left = max(0, left);

                 right = min(right,width -1);

                 top = max(0, top);

                 bot = min(bot, height -1);

                 intdx = right - left;

                 intdy = (bot - top) * width;

                 intidLeftTop = top * width + left;

                 intidRightTop = idLeftTop + dx;

                 intidLeftBot = idLeftTop + dy;

                 intidRightBot = idLeftBot + dx;

                 intptsCnt = ptsIntegral[idRightBot] + ptsIntegral[idLeftTop] -(ptsIntegral[idLeftBot] + ptsIntegral[idRightTop]);

                 doublesumGray = integral[idRightBot] +integral[idLeftTop] - (integral[idLeftBot] + integral[idRightTop]);

                 if (ptsCnt <= 0)

                 {

                     continue;

                 }

                 data[id2] =float(sumGray / ptsCnt);

              }

         }

         int s = wnd / 2 * 2 + 1;

         if (s > 201)

         {

             s =201;

         }

         cv::GaussianBlur(depth, depth,cv::Size(s, s), s, s);

     }

 }

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