1、 电 子 测 量 技 术ELECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY第45卷 第23期2022年12月 DOI:10.19651/k i.emt.2210023基 于 改 进C e n s u s变 换 和 自 适 应 权 重 的 立 体 匹 配 算 法张 杰1,2,3 王 增 才1,2,3 闫 明1,2,3(1.山 东 大 学 机 械 工 程 学 院 济 南 250061;2.山 东 大 学 高 效 洁 净 机 械 制 造 教 育 部 重 点 实 验 室 济 南 250061;3.山 东 大 学 机 械 工 程 国 家 级 实 验 教 学 示 范 中 心 济 南 250
2、061)摘 要:针 对 传 统Census算 法 过 于 依 赖 中 心 像 素,从 而 易 受 噪 声 影 响 和AD-Census算 法 不 能 充 分 利 用 不 同 算 法 的 优势 等 问 题,本 文 提 出 了 一 种 改 进 的Census变 换 和 自 适 应 权 重 的 立 体 匹 配 算 法。首 先 利 用Census变 换 窗 口 内 的 均 值及 中 心 点 与 四 个 方 向 邻 域 像 素 的 信 息,将 相 近 像 素 点 自 动 归 为 一 类,提 高 了Census变 换 对 噪 声 的 鲁 棒 性。其 次 引 入SAD算 法 与Sobe l边 缘 检 测,根
3、 据 梯 度 信 息 来 确 定SAD与Census变 换 的 权 重,提 高 了 算 法 在 不 同 区 域 的 适 应 性。最后 采 用 十 字 交 叉 域 的 代 价 聚 合 方 式 及 后 续 优 化 得 到 最 终 的 视 差 图。将 不 同 图 像 的 视 差 图 在Mi dd l ebu r y平 台 上 进 行验 证,本 文 所 提 算 法 的 平 均 误 差 为9.33%较AD-Census算 法 下 降 了3.39%。较 其 它 算 法 在 视 差 不 连 续 区 域 及 重 复 纹理 区 具 有 更 好 的 匹 配 精 度,对 噪 声 及 光 照 也 具 有 更 好 的
4、鲁 棒 性。关 键 词:Census变 换;自 适 应 权 重;立 体 匹 配;边 缘 检 测;十 字 交 叉 域中 图 分 类 号:TP301.6 文 献 标 识 码:A 国 家 标 准 学 科 分 类 代 码:510.4050S t e r e o m a t c h i ng a lgo r i t h m b a s e d o n i mpr o v e d C e n s u s t r a n s f o r m a n d a d apt i v e w e igh tZhang J i e1,2,3 Wang Zengc a i1,2,3 Yan Mi ng1,2,3(1.S
5、choo l o f Me chan i c a l Eng i ne e r i ng,Shandong Un i ve r s i t y,J i nan 250061,Ch i na;2.Key Labo r a t o r y o f Ef f i c i en t and C l e an Ma ch i ne r y Manu f a c t ur i ng o f Mi n i s t r y o f Educ a t i on,Shandong Un i ve r s i t y,J i nan 250061,Ch i na;3.Me chan i c a l Eng i ne
6、 e r i ng Na t i ona l Expe r imen t a l Te a ch i ng Demons t r a t i on Cen t e r,Shandong Un i ve r s i t y,J i nan 250061,Ch i na)A b s t r a c t:Aimi ng a t t he p r ob l em t ha t t he t r ad i t i ona l Census a l go r i t hm i s t oo dependen t on t he c en t e r p i xe l,wh i ch i s sus c e
7、p t i b l e t o no i s e,and t he AD-Census a l go r i t hm c an no t make f u l l us e o f t he advan t age s o f d i f f e r en t a l go r i t hms,t h i s pape r p r opo s e s an imp r oved Census t r ans f o rma t i on and adap t i ve we i gh t s t e r e o ma t ch i ng a l go r i t hm.F i r s t l
8、 y,t he me an va l ue o f t he Census t r ans f o rm wi ndow and t he p i xe l i n f o rma t i on o f t he c en t e r po i n t and ne i ghbo r hood i n f ou r d i r e c t i ons a r e us ed t o au t oma t i c a l l y c l a s s i f y t he c l o s e p i xe l s i n t o one c l a s s,wh i ch imp r ove s
9、t he r obus t ne s s o f t he Census t r ans f o rm aga i ns t no i s e.Se c ond l y,t he SAD a l go r i t hm and Sobe l edge de t e c t i on a r e i n t r oduc ed,and t he we i gh t o f SAD and Census t r ans f o rm i s de t e rmi ned a c c o r d i ng t o t he g r ad i en t i n f o rma t i on,wh i
10、ch imp r ove s t he adap t ab i l i t y o f t he a l go r i t hm i n d i f f e r en t r eg i ons.F i na l l y,t he f i na l d i spa r i t y map i s ob t a i ned by t he c o s t agg r ega t i on me t hod o f t he c r o s s-doma i n and subs e quen t op t imi z a t i on.The pa r a l l ax maps o f d i
11、f f e r en t image s a r e ve r i f i ed on t he Mi dd l ebu r y p l a t f o rm,and t he ave r age e r r o r o f t he p r opo s ed a l go r i t hm i s 9.33%,wh i ch i s 3.39%l owe r t han t he AD-Census a l go r i t hm.Compa r ed wi t h o t he r a l go r i t hms,t he a l go r i t hm ha s be t t e r
12、ma t ch i ng a c cu r a cy i n t he pa r a l l ax d i s c on t i nuous r eg i on and r epe a t ed t ex t u r e r eg i on,and be t t e r r obus t ne s s aga i ns t no i s e and l i gh t.K e y w o r d s:c ensus t r ans f o rm;adap t i ve we i gh t;s t e r e o ma t ch i ng;edge de t e c t i on;c r o s
13、s f i e l d 收 稿 日 期:2022-05-190 引 言 随 着 计 算 机 软 硬 件 的 发 展,双 目 视 觉 系 统 越 来 越 成 为研 究 的 热 点。尤 其 在 无 人 驾 驶、机 器 人 导 航、三 维 测 量 以 及工 业 自 动 化 等 领 域 1-3有 着 非 常 广 泛 的 应 用 价 值。而 立 体匹 配 是 双 目 视 觉 系 统 研 究 的 重 点,它 是 寻 找 双 目 或 多 目 图像 中 的 对 应 点 进 而 估 计 场 景 深 度 信 息 的 过 程,是 双 目 视 觉研 究 的 基 础。现 有 的 立 体 匹 配 算 法 可 分 为 全
14、局、半 全 局 和局 部 立 体 匹 配 算 法。全 局 算 法 通 常 是 通 过 求 取 全 局 最 小 能量 函 数 来 获 取 视 差 图,主 要 有 图 割 法 4、动 态 规 划 法 5、置5 4 第45卷 电 子 测 量 技 术信 传 播 法 6等。虽 然 其 具 有 较 高 的 匹 配 精 度,但 算 法 复 杂,难 以 并 行。半 全 局 匹 配 算 法 7是 在 二 维 图 像 上 以 近 似 于 一维 路 径 的 优 化 方 法 来 优 化 能 量 函 数,保 留 了 动 态 规 划 的 匹配 精 度 并 且 降 低 了 算 法 的 复 杂 性。局 部 立 体 匹 配 算
15、 法 是 以局 部 窗 口 的 思 想 对 匹 配 点 一 定 范 围 内 的 局 部 特 性 进 行 匹 配并 比 较。其 中 主 要 包 括 绝 对 差 和(SAD)8、平 方 差 和(SSD)9、归 一 化 互 相 关(NCC)10以 及Census变 换 11等。其 中SAD算 法 匹 配 速 度 快,在 高 纹 理 区 域 具 有 较 高 的 匹 配精 度,但 对 光 照 条 件 较 为 敏 感。Census变 换 属 于 非 参 数 变换 算 法,对 光 照 等 外 部 条 件 具 有 很 好 的 鲁 棒 性,但 由 于 过 度依 赖 中 心 像 素 点,易 受 噪 声 影 响。近
16、 年 来 针 对 局 部 立 体 匹配 算 法 的 不 同 特 点,很 多 学 者 进 行 了 大 量 研 究。Ma等 12在 传 统Census变 换 的 基 础 上 提 出 了 基 于 窗 口 均 值 的Census变 换,在 一 定 程 度 上 提 高 了Census变 换 对 噪 声 的鲁 棒 性。曹 毅 等 13针 对Census变 换 的 劣 势,提 出 了 一 种基 于 重 排 序 的Census变 换 方 法。陈 映 光 等 14提 出 了 一 种结 合 中 心 点 左 右 插 值 点 信 息 的Census变 换 算 法。Me i等 15根 据AD算 法 与Census算 法
17、 的 优 缺 点,将 两 者 结 合,提 出 了 一 种 融 合 代 价 的AD-Census立 体 匹 配 算 法,既 保 证了 高 纹 理 区 域 的 匹 配 精 度,又 对 光 照 等 外 部 因 素 具 有 较 好的 鲁 棒 性。李 聪 聪 等 16将 改 进Census变 换 结 合 图 像 分 割法 来 计 算 匹 配 代 价,使 得 立 体 匹 配 的 精 度 在 一 定 程 度 上 有所 提 升。基 于 以 上 分 析,针 对Census变 换 过 于 依 赖 中 心 像 素,易 受 噪 声 影 响。而 目 前 的 研 究 虽 然 在 一 定 程 度 上 对 其 进 行了 优
18、化,但 图 像 窗 口 内 的 信 息 利 用 率 较 小,对 于 较 大 的 噪 声突 变 适 应 性 不 高 且 单 一 算 法 优 势 有 限,不 能 很 好 的 提 高 立体 匹 配 算 法 对 外 部 干 扰 因 素 的 的 鲁 棒 性,从 而 使 得 误 匹 配率 大 等 问 题,本 文 提 出 了 基 于 改 进Census变 换 和 自 适 应 权重 的 立 体 匹 配 算 法。通 过 对 传 统Census变 换 进 行 改 进,避免 了 过 于 依 赖 中 心 像 素 的 问 题,并 与SAD算 法 进 行 结 合 来计 算 匹 配 代 价。同 时 引 入Sobe l边 缘
19、 检 测,通 过 梯 度 变 化来 确 定SAD代 价 与Census代 价 的 权 重,从 而 更 好 的 发 挥两 者 的 优 点,提 高 了 匹 配 精 度 以 及 对 噪 声 及 光 照 等 因 素 的鲁 棒 性。1 本 文 算 法 描 述 双 目 立 体 匹 配 算 法 是 模 拟 人 的 双 眼 获 取 图 像 的 过 程。根 据Scha r s t e i n等 对 立 体 匹 配 算 法 的 总 结,可 将 其 分 为 代价 计 算、代 价 聚 合、视 差 选 择、视 差 优 化 四 个 步 骤 17。本 文 算 法 采 用 同 样 的 步 骤,首 先 将 立 体 校 正 过
20、的 图 像进 行SAD代 价 及 改 进Census代 价 计 算,并 根 据 梯 度 信 息进 行 代 价 融 合。随 后 采 用 十 字 交 叉 域 的 方 式 进 行 代 价 聚合,并 用WTA方 式 选 择 视 差,最 后 进 行 视 差 优 化 来 获 取 最终 的 视 差 图 像。算 法 流 程 如 图1所 示。1.1 改 进 的C e n s u s变 换 由 于 传 统Census变 换 过 度 依 赖 于 中 心 点 像 素 的 灰 度图1 本 文 立 体 匹 配 算 法 流 程值,当 中 心 点 受 到 噪 声 影 响 后,此 时Census变 换 得 到 的 二进 制 比
21、 特 串 会 发 生 显 著 的 变 化,从 而 影 响 立 体 匹 配 的 最 终结 果。Ma等 12提 出 的 将 窗 口 邻 域 素 点 取 均 值 来 代 替 中 心像 素 点 的 值,在 一 定 程 度 上 提 高 了Census变 换 对 噪 声 的 鲁棒 性。但 在 像 素 突 变 较 大 的 点 上 依 然 会 造 成 一 定 的 误 匹配。针 对 以 上 问 题,本 文 提 出 了 改 进 的Census变 换 方 法,将 中 心 点 上 下 左 右4个 方 向 的 像 素 值 分 别 与 中 心 点 作 取 均值 运 算,并 计 算 窗 口 内 像 素 点 的 均 值I A
22、 v e,将4个 方 向 的 均值 与 窗 口 内 均 值 做 比 较,选 出 最 大 值I M a x和 最 小 值I M i n。然 后 用 均 值 代 替 中 心 像 素,并 将 窗 口 内 各 个 像 素 点 分 别 与I M a x和I M i n作 比 较,若q点 像 素 值 不 小 于I M a x,则 取01;若q点 像 素 值 不 大 于I M i n,则 取10;其 余 情 况 取00。改 进 后 的变 换 过 程 可 用 下 式 表 示:T C e n s u s=q W(p)I(p),I(q)(1)改 进 后 的 比 较 函 数 如 下:I(p),I(q)=01,I(p
23、)IMax00,IMax I(p)IMi n10,I(p)IMi n(2)式 中:IMax与IMi n分 别 定 义 如 下:IMax=MaxI A v e,I Z,I Y,I S,I XIMi n=Mi nI A v e,I Z,I Y,I S,I X(3)式 中:I A v e为 窗 口 内 像 素 的 平 均 值,I Z为 中 心 像 素 点 与 左领 域 像 素 点I(p)灰 度 值 的 平 均 值,I Y为 中 心 像 素 点 与 右邻 域 像 素 点I(p)灰 度 值 的 平 均 值,I S为 中 心 像 素 点 与 上邻 域 像 素 点I(p)灰 度 值 的 平 均 值,I X为
24、 中 心 像 素 点 与 下邻 域 像 素 点I(p)灰 度 值 的 平 均 值。其 公 式 分 别 定 义 如 下:6 4 张 杰 等:基 于 改 进Census变 换 和 自 适 应 权 重 的 立 体 匹 配 算 法 第23期I A v e=q W(p)I(q)M NI Z=I(p)+I(p)2I Y=I(p)+I(p)2I S=I(p)+I(p)2I X=I(p)+I(p)2(4)由 式(2)可 以 看 出 改 进 后 的Census变 换 采 用 二 位 编 码的 三 种 状 态 来 表 示 窗 口 内 各 个 点 的 相 对 关 系,提 高 了 窗 口内 图 像 信 息 的 利 用
25、 率,使 得Census算 法 对 噪 声 具 有 很 高 的适 应 性,从 而 使 相 近 像 素 点 能 够 自 适 应 的 归 为 一 类,提 高 了对 噪 声 的 鲁 棒 性。将 传 统Census变 换、用 均 值 代 替 中 心 点 像 素 值 的Census变 换 以 及 本 文 改 进 的Census变 换 进 行 了 比 较,如图2、3所 示。可 以 看 出 传 统Census变 换 过 于 依 赖 中 心 像素 点,对 噪 声 的 影 响 几 乎 没 有 适 应 性;用 均 值 代 替 中 心 点 像素 值 的Census变 换 可 以 在 一 定 程 度 上 适 应 噪
26、声,但 还 是 会受 到 影 响;本 文 改 进 的Census变 换 能 够 将 相 近 的 像 素 点 归为 一 类,极 大 的 提 高 了 对 噪 声 的 鲁 棒 性。图2 加 入 噪 声 前 三 种Census变 换 的 结 果1.2 代 价 计 算 由 于Census变 换 在 重 复 纹 理 区 域 表 现 不 佳 且 在 变 换过 程 中 只 利 用 了 领 域 像 素 的 灰 度 信 息,使 得 邻 域 像 素 的 纹理、颜 色、距 离 等 信 息 大 量 丢 失,造 成 误 匹 配。Me i等 15将AD算 法 与Census算 法 相 结 合 来 计 算 匹 配 代 价,很
27、 好 的 兼顾 了AD与Census算 法 各 自 的 优 点。但 在 代 价 计 算 过 程中AD与Census算 法 的 权 重 一 致,不 能 充 分 发 挥 两 种 算 法的 优 势。故 本 文 将 引 进SAD算 法,将 其 进 行 改 进,采 用 窗口 内 的 颜 色 信 息 来 计 算 代 价。将 左 右 图 像 对 应 窗 口 内 的 对应 位 置 的 颜 色 像 素 分 别 相 减 取 绝 对 值 和。然 后 取 窗 口 内 均图3 加 入 噪 声 后 三 种Census变 换 的 结 果值 作 为SAD的 代 价。使 得 代 价 计 算 不 仅 仅 依 赖 灰 度 信 息,
28、还 增 加 了 颜 色 信 息,提 高 了 信 息 利 用 率。改 进 后Census变换 和 改 进 后SAD的 代 价 计 算 公 式 如 下:C C e n s u s=H a m m i n g(T L,T R)(5)C S A D=13R,G,B N(|R l-R r|+|G l-G r|+|B l-B r|)m n(6)式 中:T L,T R分 别 代 表 左 右 两 幅 图 像 的 改 进Census编 码,H a m m i n g(T L,T R)为 计 算 两 幅 图 像 汉 明 距 离 的 函 数,对两 幅 图 像 的 改 进Census编 码 作 异 或 运 算 得 到
29、 一 串 二 进 制编 码,算 出 二 进 制 编 码 中1的 个 数 作 为 匹 配 代 价。其 中 汉明 距 离 越 小 相 似 性 越 高。N表 示 大 小 为m n的SAD算法 窗 口,R l,G l,B l,R r,G r,B r分 别 表 示 左 右 图 像 的 彩 色R、G、B数 值。在 求 得Census的 匹 配 代 价 与SAD的 匹 配 代 价 后,将其 进 行 代 价 融 合。由 于 两 种 代 价 计 算 方 法 的 尺 度 不 一 致,因 此,需 要 通 过 归 一 化,将 两 者 归 一 化 到 相 同 的 范 围 区 间,文 献 15所 采 用 的 方 法 是
30、采 用 一 个 值 区 间 在0,1 的 自 然 指数 函 数,公 式 如 下:(c,)=1-e x p(-c)(7)其 中,c是 代 价 值,是 控 制 参 数,当c和都 为 正 值时,函 数 的 区 间 在0,1。因 此 可 以 通 过 此 函 数 将 不 同 尺 度的 代 价 值 归 一 到0,1 的 范 围。代 价 融 合 后 的 代 价 计 算 公式 如 下:C(p,d)=2-e x p(-C C e n s u s C e n s u s)-e x p(-C S A D S A D)(8)为 了 更 充 分 的 利 用 两 种 代 价 计 算 方 法 的 优 点,在 不 显著 增
31、加 算 法 复 杂 性 的 情 况 下,引 入Sobe l算 子 来 对 图 像 的边 缘 进 行 检 测。Sobe l算 子 使 用 两 个33的 矩 阵 去 和 原 始图 像 作 卷 积,分 别 得 到 横 向G x和 纵 向G y的 梯 度 值。其 相7 4 第45卷 电 子 测 量 技 术关 模 板 如 图4所 示。图4 Sobe l算 子 相 关 模 板横 向 和 纵 向 的 梯 度 计 算 公 式 如 下:G x=G x IG y=G y I(9)式 中:I为 图 像 的 某33窗 口。将 两 个 方 向 的 梯 度 值 结 合 可 得 总 的 梯 度,公 式 如 下:G r a
32、d=G x2+G y2(10)由 于 梯 度 值 能 够 充 分 反 映 图 像 的 边 缘 信 息,故 将 计 算得 到 的 梯 度 值 通 过 一 定 的 方 法 归 一 化。引 入 权 重 系 数,从而 对 融 合 的 代 价 计 算 公 式 重 新 定 义,使 代 价 值 的 计 算 能 够通 过 梯 度 变 化 自 适 应 的 分 配 不 同 的 权 重 系 数。引 入 权 重 系 数 对 融 合 代 价 公 式 重 新 定 义 后,最 终 得 到的 立 体 匹 配 代 价 函 数 如 下:C(p,d)=1-exp(-C C e n s u s C e n s u s)()+(2-)
33、1-exp(-C S A D S A D)()(11)式 中:为 权 重 系 数,其 定 义 如 下:=2 1-exp-G r a d G r a d()()(12)通 过 将 改 进Census算 法 与 改 进SAD算 法 进 行 自 适 应权 重 的 融 合,提 高 了 图 像 信 息 的 利 用 率,并 充 分 发 挥 了 两 种算 法 在 不 同 的 图 像 区 域 各 自 的 优 势,提 高 了 立 体 匹 配 算 法的 精 确 度 与 鲁 棒 性。将 计 算 得 到 的 融 合 后 的 代 价 值 通 过 代价 聚 合 视 差 选 择 及 后 续 的 视 差 优 化,可 得 到
34、较 高 质 量 的 视差 图。1.3 代 价 聚 合 代 价 聚 合 作 为 立 体 匹 配 的 关 键 一 步,对 最 终 的 视 差 图有 很 大 的 影 响。基 于 文 献15,本 文 采 用 十 字 交 叉 域 的 代价 聚 合 方 式。主 要 分 为 两 步,首 先 是 构 造 十 字 交 叉 域,其 次是 代 价 聚 合。十 字 交 叉 域 的 构 建 如 图5所 示。代 价 聚 合 区 域 构 建 过 程 中 各 个 像 素 点 需 要 满 足 的 规 则如 下:D c(p,p l)1,D c(p,p l+1)1D s(p,p l)L1D c(p,p l)2,L2 D s(p,p
35、 l)L1(13)式 中:p l为 支 持 臂 上 某 一 点,p l+1为p l的 前 一 点,1,2为颜 色 阈 值,L1,L2为 距 离 阈 值。其 中D C(p,p l)为 颜 色 上的 差 异,公 式 为D c(p,p l)=Maxi R,G,B|I i(p)-I i(p l)|;图5 十 字 交 叉 域 的 构 建D S(p,p l)为 像 素 上 的 距 离 差 异,公 式 为D s(p,p l)=|p-p l|。代 价 支 持 域 构 建 完 成 后 进 行 代 价 聚 合,其 代 价 聚 合 的本 质 思 想 是 求 和 取 均 值。需 构 建 不 同 的 支 持 域 分 别
36、 以 水 平和 竖 直 方 向 进 行 求 和 计 算 平 均 值,这 样 可 以 显 著 减 少 视 差非 连 续 区 域 的 误 匹 配。本 文 仅 展 示 了 其 中 一 个 方 向 的 代 价聚 合 过 程,如 图6所 示。图6 代 价 聚 合 过 程1.4 视 差 选 择 与 优 化 视 差 选 择 采 用WTA算 法,视 差 优 化 采 用AD-Census 15算 法 的 优 化 步 骤,首 先 进 行 左 右 一 致 性 检 测,筛选 出 有 效 与 无 效 的 点,剔 除 小 连 通 区 域。后 面 依 次 采 用 迭代 局 部 投 票、视 差 非 连 续 调 整、子 像 素
37、 优 化 以 及 中 值 滤 波 等一 系 列 优 化 方 法,得 到 最 终 的 视 差 图。2 实 验 与 分 析 为 评 价 本 文 算 法 的 有 效 性,使 用C+语 言 在Vi sua l S t ud i o2019平 台 上 实 现 本 文 算 法。采 用Mi dd l ebu r y立 体匹 配 算 法 平 台 提 供 的 双 目 图 像 数 据 集 图 像Laund r y、Bu l l以 及2014版 的Tr an i ng数 据 集 的 部 分 图 片 进 行 测 试,并 在双 目 立 体 视 觉 评 估 平 台 进 行 相 关 实 验。实 验 所 需 的 相 关 参数
38、 如 表1所 示。表1 实 验 参 数 G r a d C e n s u s S A D 1 2 L1 L2255 30 10 20 6 34 172.1 改 进C e n s u s算 法 的 验 证 分 析 为 验 证 本 文 改 进Census算 法 的 有 效 性,在 不 进 行 代 价聚 合 的 情 况 下,将 本 文 的 改 进Census算 法 与 传 统Census算 法、用 均 值 代 替 中 心 像 素 点 的 改 进Census算 法 12和 文献14 提 出 的 改 进Census算 法 进 行 对 比。将 得 到 的 初 始代 价 直 接 通 过WTA算 法 计 算
39、 视 差 图。如 图7所 示。8 4 张 杰 等:基 于 改 进Census变 换 和 自 适 应 权 重 的 立 体 匹 配 算 法 第23期图7 四 种Census算 法 的 结 果 比 较 图7中 图 像 为 各 个 算 法 的 未 经 聚 合 及 优 化 的 视 差 图,红 色 方 框 中 为 视 差 不 连 续 的 细 节 图,蓝 色 方 框 中 为 存 在 遮挡 区 域 的 细 节 图。从 结 果 可 以 看 出 传 统Census变 换 由 于过 于 依 赖 中 心 像 素 点 的 值,导 致 视 差 图 存 在 较 多 的 误 匹 配点;取 均 值 的Census算 法 由 于
40、 不 再 过 度 依 赖 中 心 像 素 点,在 纹 理 较 高 且 视 差 连 续 的 区 域 具 有 较 好 的 效 果,在 遮 挡 区域 的 表 现 也 要 优 于 传 统Census算 法,但 由 于 仅 依 赖 均 值会 使 得 在 噪 声 点 高 的 区 域 数 值 不 可 靠,在 视 差 不 连 续 区 域表 现 较 差,边 界 不 清 晰;文 献14 的 改 进Census算 法 采 用取 极 值 的 思 想,在 中 心 点 像 素 值 以 及 中 心 点 与 左 右 邻 域 的均 值 中 取 最 大 值 与 最 小 值,从 而 形 成 一 个 取 值 范 围,虽 然在 一 定
41、 程 度 上 会 使 像 素 值 接 近 的 点 自 动 归 为 一 类,但 并 没有 充 分 利 用 窗 口 内 其 余 像 素 点,因 此 其 在 纹 理 较 高 且 视 差连 续 的 区 域 变 现 较 好,在 遮 挡 区 域 会 出 现 很 多 误 匹 配 点,且 边 界 不 清 晰;本 文 所 提 算 法,将 均 值 引 入,并 且 根 据 中 心点 的 上 下 左 右 邻 域 划 定 了 一 个 数 值 范 围,充 分 利 用 了 窗 口内 的 像 素 点,能 够 自 适 应 的 将 相 近 像 素 点 归 为 一 类,所 以对 噪 声 的 鲁 棒 性 较 好,在 视 差 不 连
42、续 区 域 表 现 较 好,边 界较 为 清 晰。2.2 立 体 匹 配 算 法 的 抗 噪 性 分 析 为 进 一 步 验 证 本 文 算 法 对 噪 声 的 鲁 棒 性,将 经 过 代 价聚 合 及 优 化 后 的 最 终 视 差 图 进 行 抗 噪 性 分 析。将 本 文 算法 与SGM算 法、AD-Census算 法 15进 行 对 比 分 析。对 测试 图 像 分 别 添 加 噪 声 密 度 为2%、4%、6%、8%的 椒 盐 噪声。将 得 到 的 视 差 图 进 行 评 估,计 算 全 部 区 域 的 误 匹 配率。视 差 图 如 图8所 示。误 匹 配 率 如 表2所 示。图8
43、加 入 噪 声 后 的 对 比 图表2 不 同 噪 声 密 度 下3种 算 法 的 误 匹 配 率%密 度SGM AD-Census本 文 算 法0 4.54 3.69 3.322%5.21 4.24 3.964%6.75 5.36 4.326%8.02 6.27 5.188%9.16 7.58 5.79 由 图8及 表2可 以 看 出,在08%的 噪 声 密 度 下,本文 算 法 的 误 匹 配 率 最 低。在 较 小 的 噪 声 影 响 下AD-Census算 法 与 本 文 算 法 的 误 匹 配 率 相 差 较 小,SGM算 法的 误 匹 配 率 略 大。随 着 噪 声 密 度 的 增
44、 加,不 同 算 法 下 的 视 差 图 误 匹 配 率都 有 所 增 加,但 本 文 算 法 的 增 加 程 度 略 低 于 其 余 两 种 算法,由 此 可 见 本 文 算 法 对 噪 声 的 影 响 有 较 好 的 鲁 棒 性。不同 噪 声 密 度 下3种 算 法 的 误 匹 配 率 如 图9所 示。图9 不 同 噪 声 密 度 下3种 算 法 的 误 匹 配 率2.3 立 体 匹 配 算 法 对 光 照 敏 感 度 的 分 析 本 文 通 过 对 不 同 光 照 下 的 图 片 进 行 实 验,进 一 步 验 证了 本 文 算 法 对 光 照 的 敏 感 度。将 实 验 图 片 分 为
45、4组,第1组 左 右 视 图 均 在 较 低 光 照 条 件 下;第2组 左 右 视 图 均 在 正9 4 第45卷 电 子 测 量 技 术常 光 照 条 件 下;第3组 左 右 视 图 均 在 较 高 光 照 条 件 下;第4组 左 右 视 图 在 不 同 的 光 照 条 件 下。将 结 果 进 行 评 估,计 算全 部 区 域 的 误 匹 配 率,视 差 图 如 图10所 示。误 匹 配 率 如表3所 示。表3 不 同 光 照 条 件 下3种 算 法 的 误 匹 配 率%亮 度SGM AD-Census本 文 算 法低 亮 度23.37 18.13 16.53正 常 亮 度8.15 6.5
46、2 5.79高 亮 度28.63 17.61 15.31左 右 图 亮 度 不 一 致32.65 36.40 18.50 通 过 图10中 颜 色 及 边 缘 区 域 的 比 较 可 以 看 出,本 文所 提 算 法 相 对 于 其 余 两 种 算 法 具 有 较 高 的 精 度。横 向 比较 可 以 看 出3种 算 法 在 同 一 光 照 条 件 下 的 结 果,AD-Census算 法 在 一 些 边 缘 及 纹 理 重 复 区 域 具 有 较 多 的 误 匹配,SGM算 法 无 论 在 边 缘 区 域 还 是 纹 理 重 复 区 域 都 有 较多 的 误 匹 配,本 文 算 法 在 边
47、缘 及 重 复 纹 理 区 域 误 匹 配 点 明显 减 少,在 总 体 上 优 于 其 余 两 种 算 法;纵 向 比 较 可 以 看 出三 种 算 法 对 于 光 照 变 化 的 鲁 棒 性,AD-Census算 法 在 左 右视 图 亮 度 同 时 发 生 变 化 时,视 差 图 有 微 小 变 化,但 当 左 右视 图 亮 度 不 一 致 时,其 视 差 图 发 生 了 明 显 的 变 化,SGM算法 在 左 右 视 图 亮 度 一 致 或 不 一 致,都 存 在 较 多 的 误 匹 配 图10 不 同 光 照 下 三 种 算 法 的 对 比点,精 度 较 低。本 文 算 法 在 不
48、同 亮 度 条 件 下,都 没 有 发 生明 显 的 变 化,对 光 照 具 有 较 强 的 鲁 棒 性。不 同 光 照 条 件 下3种 算 法 在 误 匹 配 率 上 的 直 观 对 比 如 图11所 示。图11 不 同 光 照 条 件 下 三 种 算 法 的 误 匹 配 率2.4 立 体 匹 配 算 法 实 验 为 进 一 步 验 证 本 文 算 法 的 整 体 效 果,选 取Mi dd l ebu r y平 台 上2014版 的Tr an i ng数 据 集 进 行 测 试,并 在 最 新 的 双目 立 体 视 觉 评 估 平 台 进 行 相 关 实 验。将 本 文 算 法 与 传 统C
49、ensus算 法、SAD算 法、SGM算 法 以 及AD-Census算 法作 比 较。实 验 结 果 如 图12所 示。利 用 公 共 数 据 集Mi dd l ebu r y平 台 进 行 视 差 图 的 误 差 计 算。视 图 评 估 结 果如 表4、5所 示。其 中Ad i r、Mo t、P i a、P i aL、Re c、T e d分 别 为Mi dd l e bu r y平 台 上2014版 的T r an i ng数 据 集 中Ad i r ond a c k、Mo t o r c y c l e、P i ano、P i anoL、Re c y c l e、T e dd y的 缩
50、 写。由 图12及 表4、5可 以 看 出,本 文 算 法 在 视 差 不 连 续 区域 以 及 重 复 纹 理 区 域 具 有 较 好 的 匹 配 精 度,尤 其 是 面 对 光照 不 一 致 的 影 响 时,要 比 其 余 四 种 算 法 精 度 高 很 多。相 较于 传 统Census算 法,平 均 误 差 提 高 了7.55%;相 较 于SAD算 法 提 高 了8.66%;相 较 于AD-Census算 法 提 高 了3.39%。虽 然 在 一 些 遮 挡 区 域 误 差 略 高 于 其 余 算 法,但 总体 的 平 均 误 差 低 于 其 余 算 法。无 论 在 噪 声 还 是 光
