从双目标定到立体匹配：Python实践指南

立体匹配是计算机视觉中的一个重要领域，旨在将从不同角度拍摄的图像匹配起来，以创建类似人类视觉的3D效果。实现立体匹配的过程需要涉及许多步骤，包括双目标定、立体校正、视差计算等。在这篇文章中，将介绍如何使用Python实现立体匹配的基本步骤和技巧。

下面的代码实现了从相机标定到立体匹配的完整流程，下面将分别介绍各个函数的参数和输出。

标定

首先，该程序需要用到以下库：

numpy
cv2 （OpenCV）
os

在程序开头，需要定义一些变量来存储标定图片的路径、棋盘格参数、角点坐标等等。具体介绍如下：

path_left = "./data/left/"
path_right = "./data/right/"

path_left和path_right是左右相机标定图片文件夹的路径。

CHESSBOARD_SIZE = (8, 11)
CHESSBOARD_SQUARE_SIZE = 15  # mm

CHESSBOARD_SIZE是棋盘格内部角点的行列数，CHESSBOARD_SQUARE_SIZE是棋盘格内部每个小正方形的大小（单位为毫米）。

objp = np.zeros((CHESSBOARD_SIZE[0] * CHESSBOARD_SIZE[1], 3), np.float32)
objp[:, :2] = np.mgrid[0:CHESSBOARD_SIZE[0], 0:CHESSBOARD_SIZE[1]].T.reshape(-1, 2) * CHESSBOARD_SQUARE_SIZE

objp是物理坐标系下每个角点的三维坐标，即棋盘格的位置。该变量在后续的相机标定以及立体匹配中都会被用到。

criteria = (cv2.TERM_CRITERIA_EPS + cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER, 30, 0.001)

criteria是角点检测的终止准则，一般都使用这个默认值。

img_list_left = sorted(os.listdir(path_left))
img_list_right = sorted(os.listdir(path_right))

img_list_left和img_list_right分别是左、右图像的文件名列表，使用os.listdir()函数获取。

obj_points = []
img_points_left = []
img_points_right = []

obj_points、img_points_left和img_points_right分别是存储每个标定图片对应的物理坐标系下的角点坐标、左相机的像素坐标和右相机的像素坐标。这些变量同样在后续的相机标定和立体匹配中用到。

接下来，程序读取标定图片并检测角点。对于每幅图片，程序执行以下操作：

img_l = cv2.imread(path_left + img_list_left[i])
img_r = cv2.imread(path_right + img_list_right[i])
gray_l = cv2.cvtColor(img_l, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
gray_r = cv2.cvtColor(img_r, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

首先读取左右图像，然后将它们转换为灰度图像。

ret_l, corners_l = cv2.findChessboardCorners(gray_l, CHESSBOARD_SIZE, None)
ret_r, corners_r = cv2.findChessboardCorners(gray_r, CHESSBOARD_SIZE, None)

通过OpenCV的cv2.findChessboardCorners()函数检测左右图像上的棋盘格角点。这个函数的参数包括：

image：需要检测角点的灰度图像。patternSize：内部角点的行列数，即(CHESSBOARD_SIZE[1]-1, CHESSBOARD_SIZE[0]-1)。corners：用于存储检测到的角点坐标的数组。如果检测失败，则该参数为空（None）。flags：检测时使用的可选标志。这个函数的返回值包括：

ret：一个布尔值，用于指示检测是否成功。如果检测成功，则为True，否则为False。corners：用于存储检测到的角点坐标的数组。接下来是亚像素级别的角点检测。

cv2.cornerSubPix(gray_l, corners_l, (11, 11), (-1, -1), criteria)
cv2.cornerSubPix(gray_r, corners_r, (11, 11), (-1, -1), criteria)

这里使用了OpenCV的cv2.cornerSubPix()函数来进行亚像素级别的角点检测。这个函数的参数包括：

image：输入的灰度图像。
corners：用于存储检测到的角点坐标的数组。
winSize：每次迭代中搜索窗口的大小，即每个像素周围的搜索范围大小。通常为11x11。
zeroZone：死区大小，表示怎样的对称性（如果有的话）不考虑。通常为(-1,-1)。
criteria：定义迭代停止的误差范围、迭代次数等标准，和以上的criteria一样。

img_points_left.append(corners_l)
img_points_right.append(corners_r)

如果检测到了左右图像上的角点，则将这些角点的坐标存储到img_points_left和img_points_right中。

cv2.drawChessboardCorners(img_l, CHESSBOARD_SIZE, corners_l, ret_l)
cv2.imshow("Chessboard Corners - Left", cv2.resize(img_l,(img_l.shape[1]//2,img_l.shape[0]//2)))
cv2.waitKey(50)

cv2.drawChessboardCorners(img_r, CHESSBOARD_SIZE, corners_r, ret_r)
cv2.imshow("Chessboard Corners - Right", cv2.resize(img_r,(img_r.shape[1]//2,img_r.shape[0]//2)))
cv2.waitKey(50)

在图片上标出检测到的角点，并在窗口中显示。这里使用了cv2.drawChessboardCorners()函数，该函数的参数包括：

img：需要标定角点的图像。patternSize：内部角点的行列数，即(CHESSBOARD_SIZE[1]-1, CHESSBOARD_SIZE[0]-1)。
corners：存储检测到的角点坐标的数组。patternfound：检测到角点的标记，即ret。

程序接下来对双目摄像机进行标定。

ret_l, mtx_l, dist_l, rvecs_l, tvecs_l = cv2.calibrateCamera(obj_points, img_points_left, gray_l.shape[::-1],None,None)
ret_r, mtx_r, dist_r, rvecs_r, tvecs_r = cv2.calibrateCamera(obj_points, img_points_right, gray_r.shape[::-1],None,None)

flags = 0
flags |= cv2.CALIB_FIX_INTRINSIC
criteria = (cv2.TERM_CRITERIA_EPS + cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER, 30, 0.001)
ret, M1, d1, M2, d2, R, T, E, F = cv2.stereoCalibrate(
    obj_points, img_points_left, img_points_right,
    mtx_l, dist_l, mtx_r, dist_r,
    gray_l.shape[::-1], criteria=criteria, flags=flags)

这段代码首先对左右相机进行单独标定：

ret_l, mtx_l, dist_l, rvecs_l, tvecs_l = cv2.calibrateCamera(obj_points, img_points_left, gray_l.shape[::-1],None,None)
ret_r, mtx_r, dist_r, rvecs_r, tvecs_r = cv2.calibrateCamera(obj_points, img_points_right, gray_r.shape[::-1],None,None)

这里使用了OpenCV的cv2.calibrateCamera()函数对左右相机进行标定。这个函数的参数包括：

objectPoints：每幅标定图片对应的物理坐标系下的角点坐标。
imagePoints：每幅标定图片上检测到的像素坐标。
imageSize：标定图片的尺寸。
cameraMatrix：用于存储标定结果的内参数矩阵。
distCoeffs：用于存储标定结果的畸变系数。
rvecs：每幅标定图片的外参数矩阵中的旋转向量。
tvecs：每幅标定图片的外参数矩阵中的平移向量。
这个函数的返回值包括：

ret：一个标志位，表示标定是否成功。
cameraMatrix：用于存储标定结果的内参数矩阵。
distCoeffs：用于存储标定结果的畸变系数。
rvecs：每幅标定图片的外参数矩阵中的旋转向量。
tvecs：每幅标定图片的外参数矩阵中的平移向量。
然后对双目摄像机进行标定：

flags = 0
flags |= cv2.CALIB_FIX_INTRINSIC
criteria = (cv2.TERM_CRITERIA_EPS + cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER, 30, 0.001)
ret, M1, d1, M2, d2, R, T, E, F = cv2.stereoCalibrate(
    obj_points, img_points_left, img_points_right,
    mtx_l, dist_l, mtx_r, dist_r,
    gray_l.shape[::-1], criteria=criteria, flags=flags)

这里使用了OpenCV的cv2.stereoCalibrate()函数进行双目摄像机标定。这个函数的参数包括：

objectPoints：每幅标定图片对应的物理坐标系下的角点坐标。
imagePoints1：每幅标定图片的左相机上检测到的像素坐标。
imagePoints2：每幅标定图片的右相机上检测到的像素坐标。
cameraMatrix1：左相机的内参数矩阵。
distCoeffs1：左相机的畸变系数。
cameraMatrix2：右相机的内参数矩阵。
distCoeffs2：右相机的畸变系数。
imageSize：标定图片的尺寸。
criteria：定义迭代停止的误差范围、迭代次数等标准。
flags：标定的可选标志。
这个函数的返回值包括：

ret：一个标志，表示标定是否成功。
cameraMatrix1：左相机的内参数矩阵。
distCoeffs1：左相机的畸变系数。
cameraMatrix2：右相机的内参数矩阵。
distCoeffs2：右相机的畸变系数。
R：旋转矩阵。
T：平移向量。
E：本质矩阵。
F：基础矩阵。

立体匹配

通过图像标定得到的参数进行立体匹配的整个流程，如下：

首先，我们需要读取左右两张图像：

img_left = cv2.imread("./left.png")
img_right = cv2.imread("./right.png")

其中，"./left.png" 和 "./right.png" 是放置左右图像的路径。这两幅图像是未经校正和矫正的图像。

接下来，通过图像标定得到相机的参数，根据得到的参数，将图像进行去畸变：

img_left_undistort = cv2.undistort(img_left, M1, d1)
img_right_undistort = cv2.undistort(img_right, M2, d2)

在上述代码中，M1、M2、d1、d2 是从双目相机标定中获得的参数。去畸变后的图像 img_left_undistort 和 img_right_undistort 可供之后的操作使用。

然后，进行极线校正，以实现左右图像在几何上的一致性：

R1, R2, P1, P2, Q, roi1, roi2 = cv2.stereoRectify(M1, d1, M2, d2, (width, height), R, T, alpha=1)
map1x, map1y = cv2.initUndistortRectifyMap(M1, d1, R1, P1, (width, height), cv2.CV_32FC1)
map2x, map2y = cv2.initUndistortRectifyMap(M2, d2, R2, P2, (width, height), cv2.CV_32FC1)
img_left_rectified = cv2.remap(img_left_undistort, map1x, map1y, cv2.INTER_LINEAR)
img_right_rectified = cv2.remap(img_right_undistort, map2x, map2y, cv2.INTER_LINEAR)

其中，R、T 是双目相机标定得到的旋转和平移矩阵， （width, height）是左右图像的尺寸。R1、R2 是左右图像的旋转矩阵，P1、P2 是左右图像的投影矩阵，Q 是视差转换矩阵，roi1、roi2 是矫正后的图像中可以使用的区域。

然后，将左右图像拼接在一起以方便观察：

img_stereo = cv2.hconcat([img_left_rectified, img_right_rectified])

接下来，需要计算视差图：

minDisparity = 0
numDisparities = 256
blockSize = 9
P1 = 1200
P2 = 4800
disp12MaxDiff = 10
preFilterCap = 63
uniquenessRatio = 5
speckleWindowSize = 100
speckleRange = 32
sgbm = cv2.StereoSGBM_create(minDisparity=minDisparity, numDisparities=numDisparities, blockSize=blockSize,
                             P1=P1, P2=P2, disp12MaxDiff=disp12MaxDiff, preFilterCap=preFilterCap,
                             uniquenessRatio=uniquenessRatio, speckleWindowSize=speckleWindowSize,
                             speckleRange=speckleRange, mode=cv2.STEREO_SGBM_MODE_SGBM_3WAY)

disparity = sgbm.compute(img_left_rectified,img_right_rectified)

上面的代码块定义了使用的视差算法的参数，并使用了 SGBM（Semi Global Block Matching）算法计算了原始的视差图。注意，由于使用的是16位的 SGBM 输出，因此需要将它除以16。接下来，可以对视差图进行 WLS 滤波，减少视差空洞：

# 定义 WLS 滤波参数
lambda_val = 4000
sigma_val = 1.5

# 运行 WLS 滤波
wls_filter = cv2.ximgproc.createDisparityWLSFilterGeneric(False)
wls_filter.setLambda(lambda_val)
wls_filter.setSigmaColor(sigma_val)
filtered_disp = wls_filter.filter(disparity, img_left_rectified,  None, img_right_rectified)
filtered_disp_nor = cv2.normalize(filtered_disp, filtered_disp, alpha=0, beta=255, norm_type=cv2.NORM_MINMAX, dtype=cv2.CV_8U)

上述代码块中，WLS 滤波为视差图降噪，并进行平滑处理。这里使用了 cv2.ximgproc.createDisparityWLSFilterGeneric 函数，创建一个生成 WLS 滤波器的对象 wls_filter，然后设置了滤波参数 lambda_val 和 sigma_val。filtered_disp 是经过滤波后的视差图。filtered_disp_nor 是经过归一化处理后的、用于显示的视差图。

最后，可以在窗口中显示原始视差图、预处理后的 WLS 滤波器的视差图：

cv2.imshow("disparity", cv2.resize(disparity_nor,(disparity_nor.shape[1]//2,disparity_nor.shape[0]//2)))
cv2.imshow("filtered_disparity", cv2.resize(filtered_disp_nor,(filtered_disp_nor.shape[1]//2,filtered_disp_nor.shape[0]//2)))
cv2.waitKey()
cv2.destroyAllWindows()