opencv0:双目立体视觉(python 代码全)

0.双目立体视觉的基本建立步骤

  • a)双目标定(samples/cpp/stereo_calib.cpp),由一套操作完成。
  • b)图像根据标定结果进行极线矫正(stereoRectify 函数)
  • c)在每条极线上寻找对应点(视差)(也有很多种选择,StereoMatcher)
  • d)根据视差转换为点云(cv2.reprojectImageTo3D)
  • e)点云存储(samples/python/stereo_match.py/write_ply)和显示

1. 双目棋盘格标定详解

1.1 c++例子中标定的函数:

    StereoCalib(imagelist, boardSize, squareSize, false, true, showRectified);
  1. 需要一系列的图像
  2. 标定板格子的个数(比如8*6)
  3. 标定板格子的尺寸(比如20mm)
  4. displayCorners 是否显示角点
  5. useCalibrated 是否使用标定结果
  6. showRectified 是否展示矫正结果

1.2 标定的流程

  1. 找到亚像素的角点,imagePoints[0]和imagePoints[1],分别对应左右两图;
findChessboardCorners 
cornerSubPix
  1. 构建标定板的点坐标,objectPoints
objectPoints[i].push_back(Point3f(k*squareSize, j*squareSize, 0));

3.分别得到两个相机的初始CameraMatrix

Mat cameraMatrix[2], distCoeffs[2];
cameraMatrix[0] = initCameraMatrix2D(objectPoints,imagePoints[0],imageSize,0);
cameraMatrix[1] = initCameraMatrix2D(objectPoints,imagePoints[1],imageSize,0);

4.双目视觉进行标定

Mat R, T, E, F;

double rms = stereoCalibrate(objectPoints, imagePoints[0], imagePoints[1],
                    cameraMatrix[0], distCoeffs[0],
                    cameraMatrix[1], distCoeffs[1],
                    imageSize, R, T, E, F,
                    CALIB_FIX_ASPECT_RATIO +
                    CALIB_ZERO_TANGENT_DIST +
                    CALIB_USE_INTRINSIC_GUESS +
                    CALIB_SAME_FOCAL_LENGTH +
                    CALIB_RATIONAL_MODEL +
                    CALIB_FIX_K3 + CALIB_FIX_K4 + CALIB_FIX_K5,
                    TermCriteria(TermCriteria::COUNT+TermCriteria::EPS, 100, 1e-5) );
  1. 标定精度的衡量,这部分注释就够了
// CALIBRATION QUALITY CHECK
// because the output fundamental matrix implicitly
// includes all the output information,
// we can check the quality of calibration using the
// epipolar geometry constraint: m2^t*F*m1=0
  1. 保存标定结果
  1. 矫正一张图像看看,是否可以
Mat R1, R2, P1, P2, Q; // 说明
Rect validRoi[2];
stereoRectify(cameraMatrix[0], distCoeffs[0],
                     cameraMatrix[1], distCoeffs[1],
                     imageSize, R, T, R1, R2, P1, P2, Q,
                     CALIB_ZERO_DISPARITY, 1, imageSize, &validRoi[0], &validRoi[1]);

//Precompute maps for cv::remap(),构建映射图
initUndistortRectifyMap(cameraMatrix[0], distCoeffs[0], R1, P1, imageSize, CV_16SC2, rmap[0][0], rmap[0][1]);
initUndistortRectifyMap(cameraMatrix[1], distCoeffs[1], R2, P2, imageSize, CV_16SC2, rmap[1][0], rmap[1][1]);

// 读图,矫正
Mat img = imread(goodImageList[i*2+k], 0); // 为何要用黑白图呢?
Mat rimg, cimg;
remap(img, rimg, rmap[k][0], rmap[k][1], INTER_LINEAR);
cvtColor(rimg, cimg, COLOR_GRAY2BGR);

1.3 python的实现代码

    # 0.基本配置
    show_corners = False

    image_number = 13
    board_size = (9, 6)  # 也就是boardSize
    square_Size = 20

    image_lists = []  # 存储获取到的图像
    image_points = []  # 存储图像的点

    # 1.读图,找角点
    image_dir = "/home/wukong/opencv-4.1.0/samples/data"
    image_names = []

    [image_names.append(image_dir + "/left%02d.jpg" % i) for i in
     [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 13, 14]]  # 没有10,坑爹
    [image_names.append(image_dir + "/right%02d.jpg" % i) for i in [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 13, 14]]
    print(len(image_names))

    for image_name in image_names:
        print(image_name)
        image = cv2.imread(image_name, 0)
        found, corners = cv2.findChessboardCorners(image, board_size)  # 粗查找角点
        if not found:
            print("ERROR(no corners):" + image_name)
            return None
        # 展示结果

        if show_corners:
            vis = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_GRAY2BGR)
            cv2.drawChessboardCorners(vis, board_size, corners, found)
            cv2.imwrite(image_name.split(os.sep)[-1], vis)
            cv2.namedWindow("xxx", cv2.WINDOW_NORMAL)
            cv2.imshow("xxx", vis)
            cv2.waitKey()
        term = (cv2.TERM_CRITERIA_EPS + cv2.TERM_CRITERIA_COUNT, 30, 0.01)
        cv2.cornerSubPix(image, corners, (11, 11), (-1, -1), term)  # 精定位角点
        image_points.append(corners.reshape(-1, 2))
        image_lists.append(image)

    # 2. 构建标定板的点坐标,objectPoints
    object_points = np.zeros((np.prod(board_size), 3), np.float32)
    object_points[:, :2] = np.indices(board_size).T.reshape(-1, 2)
    object_points *= square_Size
    object_points = [object_points] * image_number

    # object_points = np.repeat(object_points[np.newaxis, :], 13, axis=0)
    # print(object_points.shape)

    # 3. 分别得到两个相机的初始CameraMatrix
    h, w = image_lists[0].shape
    camera_matrix = list()

    camera_matrix.append(cv2.initCameraMatrix2D(object_points, image_points[:image_number], (w, h), 0))
    camera_matrix.append(cv2.initCameraMatrix2D(object_points, image_points[image_number:], (w, h), 0))

    # 4. 双目视觉进行标定
    term = (cv2.TERM_CRITERIA_EPS + cv2.TERM_CRITERIA_COUNT, 100, 1e-5)
    retval, cameraMatrix1, distCoeffs1, cameraMatrix2, distCoeffs2, R, T, E, F = \
        cv2.stereoCalibrate(object_points, image_points[:image_number], image_points[image_number:], camera_matrix[0],
                            None, camera_matrix[1], None, (w, h),
                            flags=cv2.CALIB_FIX_ASPECT_RATIO | cv2.CALIB_ZERO_TANGENT_DIST | cv2.CALIB_USE_INTRINSIC_GUESS |
                                  cv2.CALIB_SAME_FOCAL_LENGTH | cv2.CALIB_RATIONAL_MODEL | cv2.CALIB_FIX_K3 | cv2.CALIB_FIX_K4 | cv2.CALIB_FIX_K5,
                            criteria=term)

    # 5. 标定精度的衡量, TODO

    # 6. 保存标定结果 TODO

    # 7. 矫正一张图像看看,是否完成了极线矫正
    R1, R2, P1, P2, Q, validPixROI1, validPixROI2 = \
        cv2.stereoRectify(cameraMatrix1, distCoeffs1, cameraMatrix2, distCoeffs2, (w, h), R, T)

    map1_1, map1_2 = cv2.initUndistortRectifyMap(cameraMatrix1, distCoeffs1, R1, P1, (w, h), cv2.CV_16SC2)
    map2_1, map2_2 = cv2.initUndistortRectifyMap(cameraMatrix2, distCoeffs2, R2, P2, (w, h), cv2.CV_16SC2)

    start_time = time.time()
    result1 = cv2.remap(image_lists[0], map1_1, map1_2, cv2.INTER_LINEAR)
    result2 = cv2.remap(image_lists[image_number], map2_1, map2_2, cv2.INTER_LINEAR)
    print("变形处理时间%f(s)" % (time.time() - start_time))

    result = np.concatenate((result1, result2), axis=1)
    result[::20, :] = 0
    cv2.imwrite("rec.png", result)
极线矫正结果

整个结果看着还行哈。

2.图像根据标定结果进行极线矫正(stereoRectify 函数)

根据标定结果,放置新的相机

  • 确认新的虚拟相机位置,满足极线平行关系
  • 构造映射map
  • 执行map 的变换 remap
    R1, R2, P1, P2, Q, validPixROI1, validPixROI2 = \
        cv2.stereoRectify(cameraMatrix1, distCoeffs1, cameraMatrix2, distCoeffs2, (w, h), R, T)

    map1_1, map1_2 = cv2.initUndistortRectifyMap(cameraMatrix1, distCoeffs1, R1, P1, (w, h), cv2.CV_16SC2)
    map2_1, map2_2 = cv2.initUndistortRectifyMap(cameraMatrix2, distCoeffs2, R2, P2, (w, h), cv2.CV_16SC2)

    result1 = cv2.remap(image_lists[0], map1_1, map1_2, cv2.INTER_LINEAR)
    result2 = cv2.remap(image_lists[image_number], map2_1, map2_2, cv2.INTER_LINEAR)

3.在每条极线上寻找对应点(视差)

方法有很多


立体匹配的方法
  • StereoBM, block matching 算法,像素级别的位移,速度快

  • StereoSGBM,semi-global block matching算法,亚像素的精度,速度慢很多了,实时应用是不考虑的

  • StereoBeliefPropagation,据说是把这个问题当做了Markov随机场处理的,所以可以用信念传播的机制求解,这个目前尚未精通。也是要处理和学习的点。#TODO

4.根据视差转换为点云(cv2.reprojectImageTo3D)

只需要一步操作就完成了,很简单

points = cv2.reprojectImageTo3D(disparity, Q)

5. 点云存储和显示

略,这些个在opencv/example/python中,应该都可以查看到。

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