计算机视觉的任务及目前研究的现状---a point of view

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1 立体视觉与三维建模 申抒含中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室

2 三维计算机视觉 6 相机模型与多视几何 7 相机标定与稀疏重建 8 立体视觉与三维建模

3 立体视觉与三维建模 多视角图像相机位姿三维模型

4 图像的获取方式 室内环境 光照可控 相机稳定 室外环境 自然光线 手持拍摄 网络图片 不可控

5 图像的获取方式 室内环境

6 图像的获取方式 室外环境

7 图像的获取方式 网络图片...

8 相机位姿的获取方式 多视角图像相机位姿三维模型

9 相机位姿的获取方式 机械臂 人工标志物 Global Structure-from- Motion Incremental Structure-from-Motion

10 相机位姿的获取方式 机械臂 人工标志物 小场景 Global Structure-from- Motion Incremental Structure-from-Motion 大场景

11 相机位姿的获取方式 机械臂

12 相机位姿的获取方式 人工标志物 ARToolkit MATLAB Toolbox Robust planar patterns

13 相机位姿的获取方式 Global SfM

14 相机位姿的获取方式 Incremental SfM Two-view SfM Adding images Bundle-adjustment phototour.cs.washington.edu/bundler

15 三维建模基本流程 相机位姿 图像一致性 三维模型

16 图像一致性 (Photo consistency) Photo-consistent point

17 图像一致性 (Photo consistency) Non photo-consistent point

18 两视图三维建模 立体视觉 Human-Eye Separation(~6.5cm) Brain Left 2D Image Right 2D Image 3D View

19 立体视觉 3D 感知 红绿图像叠加生成 3D 视频 需要佩戴红绿眼睛 红色镜片过滤掉红色图像 绿色镜片过滤掉绿色图像 ( 红 / 绿 图 ) 双眼获取不同图像, 产生 3D 感 ( 红 / 绿 眼镜 )

20 立体视觉 3D 感知 图像以帧序列的格式在左右眼交替出现 当左眼快门打开时右眼快门关闭 ; 当右眼快门打开时左眼快门关闭 ( 快门式 3D 眼镜,120 Hz) 需要快门有足够高的刷新率 (120Hz) (Nvidea Artwork)

21 立体视觉 3D 感知 显示屏幕上加偏光板, 向观看者输送偏振方向不同的两幅画面 偏振式眼镜的每只镜片只能接受一个偏振方向的画面 ( 偏振式 3D 眼镜 ) 眼镜成本低, 但需要专业放映设备 ( 偏振式 3D)

22 立体视觉 Human-Eye Separation(~6.5cm) Brain Left 2D Image Right 2D Image 3D View

23 立体视觉 Displacement (Stereo Baseline) Computer Left 2D Image Right 2D Image 3D View

24 立体视觉 极几何 两视图的极几何约束

25 立体视觉 极几何 两视图的极几何约束

26 立体视觉 极几何 两视图的极几何约束

27 立体视觉 极几何 两视图的极几何约束

28 立体视觉 极几何 P l 的极线 P l 在右图像上的匹配点在 P l 的极线上 搜索 P l 匹配点的过程是一维搜索

29 立体视觉 极线校正 X-axis Baseline 左图像 L 和右图像 R 位于同一平面 L 和 R 的 x 轴与基线平行, 对应点具有相同的 y 坐标

30 立体视觉 极线校正 左图像 L 和右图像 R 位于同一平面 L 和 R 的 x 轴与基线平行, 对应点具有相同的 y 坐标

31 立体视觉 极线校正 左图像 L 和右图像 R 位于同一平面 L 和 R 的 x 轴与基线平行, 对应点具有相同的 y 坐标

32 立体视觉 极线校正 P l 在右图像上的极线平行于 x 轴 搜索 P l 匹配点的过程只需在水平扫描线上进行

33 立体视觉 极线校正 可以通过设置虚拟摄像机位置进行极线校正 这一变换过程通过图像单应变换 H 3 3 完成 原始图像 单应 H K 2 R 2 R 1 1 K 1 1 在立体视觉中通常都假设极线已经校正 极线矫正后的图像

34 立体视觉 视差 极线校正后, 左右图像的一对匹配点在 x 轴上坐标的差异称为视差 (Disparity) 视差的大小与点距离相机距离的远近成反比

35 立体视觉 视差 Background Disparity (Small) 极线校正后, 左右图像的一对匹配点在 x 轴上坐标的差异称为视差 (Disparity) 视差的大小与点距离相机距离的远近成反比

36 立体视觉 视差 Foreground Disparity (Large) 极线校正后, 左右图像的一对匹配点在 x 轴上坐标的差异称为视差 (Disparity) 视差的大小与点距离相机距离的远近成反比

37 立体视觉 视差图 立体视觉的目的就是通过左右图像计算 ( 稠密 ) 视差图 视差图是一幅灰度图像, 像素点的值表示这一点的视差大小, 灰度值越高表示视差越大 ( 距离越近 )

38 立体视觉 视差图 通过视差图可以得到单视点下的三维模型 ( 稠密点云 )

39 立体视觉 视差与深度

40 立体视觉 视差与深度 左相机坐标系的 Z 轴 图像坐标系的 x 轴 左相机坐标系的 X 轴

41 立体视觉 视差与深度 基线 ( 左右光心距离 ) 相机光心 焦距 基线距离 相机光心位置 焦距均为已知量 ( 相机标定 )

42 立体视觉 视差与深度 左右相机匹配点的 x 坐标

43 立体视觉 视差与深度 空间点 X 坐标 ( 未知 ) 空间点 Z 坐标 ( 深度 ) ( 未知 )

44 立体视觉 视差与深度

45 立体视觉 视差与深度 相似三角形 : X Z x f l

46 立体视觉 视差与深度 相似三角形 : X B Z x f r

47 立体视觉 视差与深度 根两个据相似三角形 : X 可以表达为 : 将上述两个等式合并 : 深度 Z 可以表达为 : f x Z X l f x Z B X r d f B x x f B Z r l.. f x Z X l. B f x Z X r. B f x Z f x Z r l.. f B x Z x Z r l... f B x x Z r l. ).( 视差

48 立体视觉 立体视觉三维建模流程 左图像 右图像 极线矫正 矫正后的左图像 矫正后的右图像 立体匹配 视差图 三角化 三维模型 ( 稠密点云 )

49 立体视觉 立体视觉三维建模流程 立体匹配 立体视觉研究的核心是立体匹配

50 立体匹配 最简单的算法 对于左图像上每一点 p, 在右图极线上寻找对应点 极线上颜色最相似的点作为对应点 : d p arg min c( p, 0d d max p d) 寻找颜色最相似点 (a) 左图像 (b) 右图像

51 立体匹配 最简单的算法 左图像 视差图 对于左图像上点 p, 右图极线上有很多颜色类似的点 仅靠单点颜色比较容易出现错误

52 立体匹配 平滑性约束 视差图真值 视差图 真值视差图中大多数区域是平滑的 需要在立体匹配中考虑平滑性约束

53 立体匹配 平滑性约束 视差图真值 满足平滑约束的区域 视差图 不满足平滑约束的区域 大多数物体表面都满足平滑性约束 在物体的边缘通常不满足平滑性约束

54 立体匹配 窗口匹配法 对于左图像上每一点 p, 在右图极线上寻找对应点 通过图像上一个正方形窗口区域衡量匹配程度 寻找窗口最相似点 (a) 左图像 (b) 右图像

55 立体匹配 窗口匹配法 基于窗口相似度的视差计算 : 对于左图像上每一点 p, 其视差 dp 计算如下 0d d d p arg min c( q, q d) max qwp 其中 : d max 表示最大视差搜索范围 ; Wp 表示以 p 为中心的方窗内所有像素点的集合 ; c(p,q) 是像素点 p 和 q 的相似度函数, 通常定义为灰度差的绝对值或 RGB 差的绝对值和

56 立体匹配 窗口匹配法 窗口尺寸 = 3x3 pixels 窗口尺寸 = 21x21 pixels 窗口尺寸直接影响视差图计算结果 窗口匹配法比单点比较法有改进 但结果仍然不理想 单点比较法

57 立体匹配 窗口匹配法 影响窗口匹配结果的因素一 : 弱纹理 弱纹理区域 多个点的窗口相似度函数值均类似, 容易产生错误 (a) 左图像 (b) 右图像 弱纹理区域窗口内像素值类似, 相邻区域的相似度函数值差异不显著

58 立体匹配 窗口匹配法 影响窗口匹配结果的因素二 : 孔径问题 (Aperture) 纹理分布只沿竖直方向 多个点的窗口相似度函数值均类似, 容易产生错误 (a) 左图像 (b) 右图像 窗口包含的纹理区域太小, 区分度不足

59 立体匹配 窗口匹配法 影响窗口匹配结果的因素三 : 重复纹理 多个点的窗口相似度函数值均类似, 容易产生错误 (a) 左图像 (b) 右图像 重复纹理区域窗口内像素值类似, 容易产生匹配误差

60 立体匹配 窗口匹配法 影响窗口匹配结果的因素 弱纹理 孔径问题 重复纹理 窗口尺寸 = 3x3 pixels

61 立体匹配 窗口匹配法 影响窗口匹配结果的因素四 : 前景放大 (Foreground Fattening ) 背景物体 前景 立体匹配中存在遮挡问题

62 立体匹配 窗口匹配法 影响窗口匹配结果的因素四 : 前景放大 (Foreground Fattening ) 立体匹配中存在遮挡问题

63 立体匹配 窗口匹配法 影响窗口匹配结果的因素四 : 前景放大 (Foreground Fattening ) 立体匹配中存在遮挡问题

64 立体匹配 窗口匹配法 影响窗口匹配结果的因素四 : 前景放大 (Foreground Fattening ) 立体匹配中存在遮挡问题

65 立体匹配 窗口匹配法 影响窗口匹配结果的因素四 : 前景放大 (Foreground Fattening ) 立体匹配中存在遮挡问题

66 立体匹配 窗口匹配法 影响窗口匹配结果的因素四 : 前景放大 (Foreground Fattening ) (a) 左图像 (b) 右图像 在边缘处背景容易被错分为前景, 造成前景放大

67 立体匹配 窗口匹配法 影响窗口匹配结果的因素四 : 前景放大 (Foreground Fattening ) 真值视差图 窗口尺寸 = 21x21 pixels 前景放大效应造成视差图中前景物体比实际大

68 立体匹配 窗口匹配法 窗口匹配法中窗口尺寸的选择 : 大尺寸窗口有利于解决 : 弱纹理 ; 孔径问题 ; 重复纹理 ; 小尺寸窗口有利于解决 : 前景放大 ; 窗口尺寸选择依据 : 没有最优窗口尺寸能够解决所有问题

69 立体匹配 自适应窗口匹配法 融合大窗口和小窗口的各自优势 位于边缘 ( 视差跳变 ) 区域的窗口不利于匹配

70 立体匹配 自适应窗口匹配法 融合大窗口和小窗口的各自优势 不理想的窗口 ( 跨越了边缘 ) 位于边缘 ( 视差跳变 ) 区域的窗口不利于匹配

71 立体匹配 自适应窗口匹配法 融合大窗口和小窗口的各自优势 理想的窗口 ( 不跨越边缘 ) 位于边缘 ( 视差跳变 ) 区域的窗口不利于匹配

72 立体匹配 自适应窗口匹配法 融合大窗口和小窗口的各自优势 自适应窗口 : 将窗口分为 9 个子窗口 ; 在每个子窗口中分别计算相似度 ; 在相似度最高的 5 个子窗口上计算相似度度量 [Hirschmueller, IJCV02]

73 立体匹配 自适应窗口匹配法 融合大窗口和小窗口的各自优势 使用黄色部分窗口计算相似度 自适应窗口匹配法 : 在相似度最高的 5 个子窗口上计算相似度度量 [Hirschmueller, IJCV02]

74 立体匹配 自适应窗口匹配法 标准窗口匹配 自适应窗口匹配 自适应窗口匹配可以有效改进边缘区域的视差 但结果任然不够理想 [Hirschmueller, IJCV02]

75 立体匹配 自适应权值窗口匹配法 对于左图像上每一点 p, 其视差 dp 计算如下 : Wp q d d p d q q c q p w d ), ( ), ( arg min max 0 其中 : w(p,q) 表示点 p 和 q 视差相同的可能性 ; 理想情况下 : 和视差不同和视差相同 q p q p q p w 0 1 ), (

76 立体匹配 自适应权值窗口匹配法 如何判断视差相同的可能性 ( 我们只有图像 ): q q' p 根据颜色 : 颜色相似的点视差相同的可能性大

77 立体匹配 自适应权值窗口匹配法 如何判断视差相同的可能性 ( 我们只有图像 ): q q' p 根据距离 : 在窗口内距离近的点视差相同的可能性大

78 立体匹配 自适应权值窗口匹配法 对于左图像上每一点 p, 其视差 dp 计算如下 : Wp q d d p d q q c q p w d ), ( ), ( arg min max 0 其中 : g pq c cpq g q p w exp ), ( Δc pq 表示点 p 和 q 的颜色差异 (RGB 差的绝对值和 ) Δg pq 表示点 p 和 q 的距离差异 ( 图像欧氏距离 ) γ c 和 γ g 为人工指定参数 [Yoon,CVPR05]

79 立体匹配 自适应权值窗口匹配法 真值视差图 自适应权值窗口匹配 单点比较标准窗口自适应窗口 [Yoon,CVPR05]

80 立体视觉 标准评测库 (Middlebury)

81 立体视觉 标准评测库 (KITTI)

82 立体视觉 标准评测 Current State-of-the-art: Computing the Stereo Matching Cost with a Convolutional Neural Network, J. Zbontar and Y. LeCun

83 多视图立体重建 (Multiple View Stereo) 从两视图 Stereo 推广到多视图 Stereo 1 对每一幅图像计算深度图

84 多视图立体重建 (Multiple View Stereo) 从两视图 Stereo 推广到多视图 Stereo 2 深度图融合

85 多视图立体重建 (Multiple View Stereo) 从两视图 Stereo 推广到多视图 Stereo 3 抽取物体表面

86 多视图立体重建 深度图计算 为每一幅参考图像选择一幅邻域图像构成立体图像对 参考图像 ( 左图像 ) 邻域图像 ( 右图像 )

87 多视图立体重建 深度图计算 为每一幅参考图像选择一幅邻域图像构成立体图像对 选择原则 : 基线足够长 ( 保证视差精度 ) 公共可视区域足够大 ( 保证双目覆盖范围 ) 选出的立体图像对是否需要极线矫正? 两视图视线夹角较小时可以进行极线矫正 两视图视线夹角较大时极线矫正会使图像严重拉伸 有些算法会选择多幅邻域图像同时参与计算 后两种情况通常不做极线矫正 如不做极线矫正, 则直接在原始极线上寻找对应点

88 多视图立体重建 深度图计算 对于每一幅参考图像, 根据选择的邻域图像, 使用两视图 Stereo 方法计算深度图 ( 视差图 ) 考虑物体表面法向的窗口匹配 : 空间面片投影到左右视图的窗口尺寸不同 ; 校正视图情况下体现在窗口宽度不同 ; 固定左图像窗口尺寸, 测试右图像多种宽度窗 1 口 (, 1, 2 2 ), 并选择相似度最高的匹配值 [Bradley, CVPR08]

89 多视图立体重建 深度图计算 对于每一幅参考图像, 根据选择的邻域图像, 使用两视图 Stereo 方法计算深度图 ( 视差图 ) DAISY 匹配 : 计算每幅图像中每个像素点的 DAISY 描述子 ; [Tola, MVA11]

90 多视图立体重建 深度图计算 对于每一幅参考图像, 根据选择的邻域图像, 使用两视图 Stereo 方法计算深度图 ( 视差图 ) DAISY 匹配 : 计算每幅图像中每个像素点的 DAISY 描述子 ; 直接在右图像极线上寻找 DAISY 描述子相似度最高的点作为匹配点 ; 这一方法特别适合于高分辨率图像 (2000 万像素以上 ) [Tola, MVA11]

91 多视图立体重建 深度图过滤 两视图 Stereo 计算的深度图不可避免存在误差和错误, 直接将所有图像对应的深度图在空间融合会包含大量外点 [Shen, TIP13]

92 多视图立体重建 深度图过滤 通过多视图深度值交叉验证可以显著减少深度图中的外点 [Shen, TIP13]

93 多视图立体重建 深度图过滤 通过多视图深度值交叉验证可以显著减少深度图中的外点 [Shen, TIP13]

94 多视图立体重建 深度图融合 单视角深度图只包含可见表面的深度信息, 通过融合所有图像上的深度图可获得完整的物体表面点云 Voxel + Graph Cut + Mesh Refine [Vogiatzis, PAMI07]

95 多视图立体重建 深度图融合 单视角深度图只包含可见表面的深度信息, 通过融合所有图像上的深度图可获得完整的物体表面点云 Downsampling + Cleaning + Meshing [Bradley, CVPR08]

96 多视图立体重建 其他方法 除了基于深度图融合的多视图立体重建, 还有其他一些类型的多视图立体重建方法 基于表面演化的方法 :Delaunay + Graph Cut + Mesh Refine [Vu, PAMI12]

97 多视图立体重建 其他方法 除了基于深度图融合的多视图立体重建, 还有其他一些类型的多视图立体重建方法 Input image Feature Matching Expansion+Filtering 基于特征点扩散的方法 :Sparse feature + Expansion + Filtering [Furukawa, PAMI10]

98 多视图立体重建 其他方法 除了基于深度图融合的多视图立体重建, 还有其他一些类型的多视图立体重建方法 基于语义的方法 :Semantic segmentation + Depth-map + Graph cut [Hane, CVPR13]

99 总结 本节课内容回顾 视差 (Disparity) 与深度 (Depth) 立体视觉 (Stereo) 多视图立体重建 (Multiple View Stereo)

100 总结 参考文献 A Taxonomy and Evaluation of Dense Two-frame Stereo Correspondence Algorithms D. Scharstein and R. Szeliski International Journal of Computer Vision, 47:7-42, A Comparison and Evaluation of Multi-View Stereo Reconstruction Algorithms S M Seitz, B Curless, J Diebel, D Scharstein, R Szeliski CVPR 2006.

第四章 102 图 4唱16 基于图像渲染的理论基础 三张拍摄图像以及它们投影到球面上生成的球面图像 拼图的圆心是相同的 而拼图是由球面图像上的弧线图像组成的 因此我 们称之为同心球拼图 如图 4唱18 所示 这些拼图中半径最大的是圆 Ck 最小的是圆 C0 设圆 Ck 的半径为 r 虚拟相机水平视域为 θ 有 r R sin θ 2 4畅11 由此可见 构造同心球拼图的过程实际上就是对投影图像中的弧线图像

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