雙目視覺技術(shù)的原理、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向分析

雙目立體視覺是機(jī)器視覺的一種重要形式，它是基于視差原理并由多幅圖像獲取物體三維幾何信息的方法。

雙目立體視覺系統(tǒng)一般由雙攝像機(jī)從不同角度同時(shí)獲得被測(cè)物的兩幅數(shù)字圖像，或由單攝像機(jī)在不同時(shí)刻從不同角度獲得被測(cè)物的兩幅數(shù)字圖像，并基于視差原理恢復(fù)出物體的三維幾何信息，重建物體三維輪廓及位置。雙目立體視覺系統(tǒng)在機(jī)器視覺領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

雙目立體視覺技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可分為以下步驟：圖像獲取、攝像機(jī)標(biāo)定、特征提取、圖像匹配和三維重建，國(guó)外雙目體視目前主要應(yīng)用于四個(gè)領(lǐng)域：機(jī)器人導(dǎo)航、微操作系統(tǒng)的參數(shù)檢測(cè)、三維測(cè)量和虛擬現(xiàn)實(shí)，國(guó)內(nèi)主要研究對(duì)多自由度機(jī)械裝置的動(dòng)態(tài)、精確位姿檢測(cè)，對(duì)三維不規(guī)則物體（偏轉(zhuǎn)線圈）的三維空間坐標(biāo)進(jìn)行非接觸精密測(cè)量，全自主足球機(jī)器人導(dǎo)航等。

雙目立體視覺這一有著廣闊應(yīng)用前景的學(xué)科，隨著光學(xué)，電子學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將不斷進(jìn)步，逐漸實(shí)用化，不僅將成為工業(yè)檢測(cè)，生物醫(yī)學(xué)，虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。

雙目視覺與TOF的差異性分析

雙目視覺：雙目立體視覺測(cè)距的原理和人眼類似，通過計(jì)算空間中同一個(gè)物體在兩個(gè)相機(jī)成像的視差就可以根據(jù)如下三角關(guān)系計(jì)算得到物體離相機(jī)的距離：

雙目立體視覺測(cè)距算法的核心就是尋找對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以理解為給定一個(gè)相機(jī)拍攝的圖片中的任意一個(gè)像素點(diǎn)，如何在另外一個(gè)相機(jī)拍攝的圖像中找到和它對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)，這個(gè)過程需要特征提取、特征匹配等一系列復(fù)雜的算法。

雙目視覺對(duì)目標(biāo)物體的三維重建技術(shù)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)技術(shù)以其非接觸、快速、高精度、自動(dòng)化程度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。已有的方法包括基于單攝像頭結(jié)合結(jié)構(gòu)光的方法、雙目視覺方法、投影儀配合攝像機(jī)方法等。其中雙目視覺因其結(jié)構(gòu)靈活、安裝方便、成本低而被廣泛采用。

目視覺測(cè)量要解決的問題是如何通過兩維CCD圖像恢復(fù)出被測(cè)量的三維信息，攝像機(jī)標(biāo)定與立體匹配是雙目立體視覺系統(tǒng)中最重要也是最困難的問題。隨著攝影測(cè)量和計(jì)算機(jī)視覺理論的發(fā)展，許多學(xué)者對(duì)攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行了深入研究，現(xiàn)已發(fā)展的比較成熟；

也有許多學(xué)者對(duì)立體匹配進(jìn)行了大量的研究。提出了一種基于雙目立體視覺的激光三維測(cè)量技術(shù)，采用了張正友平面模板標(biāo)定法，系統(tǒng)標(biāo)定不需昂貴的精制標(biāo)定塊；同時(shí)，利用標(biāo)定結(jié)果對(duì)圖像進(jìn)行校正，并結(jié)合線結(jié)構(gòu)激光條紋進(jìn)行匹配點(diǎn)搜索，大大降低了雙目立體視覺中立體匹配的難度。

激光結(jié)構(gòu)光由于波長(zhǎng)單一，抗電磁干擾能力強(qiáng)，檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于物體檢測(cè)與跟蹤，是主動(dòng)視覺測(cè)量技術(shù)，雙目立體視覺因?yàn)橛锌焖?，?zhǔn)確，靈活等特點(diǎn)。

被廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療，工業(yè)，人工智能等多個(gè)領(lǐng)域，尤其當(dāng)工作的環(huán)境惡劣、條件艱苦（例如：高山地區(qū)的電力線監(jiān)測(cè)，建筑施工工地的墻面抹灰，外太空導(dǎo)航等），或者要求長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定性強(qiáng)的工作（國(guó)防安全系統(tǒng)，醫(yī)學(xué)成像等），雙目立體視覺系統(tǒng)顯現(xiàn)出來了無法比擬的優(yōu)越性。

雙目立體視覺應(yīng)用的部分領(lǐng)域包括：高山地區(qū)的電力線監(jiān)測(cè)、房屋建造抹墻機(jī)器人、衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)圖像分析、醫(yī)學(xué)成像分析、安全檢測(cè)系統(tǒng)等。

雙目立體視覺越來越多的被應(yīng)用在我們的平常生活當(dāng)中，例如，虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)造空間配合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，雙目立體視覺可以恢復(fù)出難以示眾的物品，例如，文物，墨寶等高價(jià)值易破損的物品。從而可以建造出虛擬文化館。

為實(shí)現(xiàn)工業(yè)中汽車、飛機(jī)、骨骼和模具外形等物體的三維重建，介紹了基于激光線掃描的雙目立體視覺三維測(cè)量系統(tǒng)。2個(gè)攝像機(jī)同時(shí)攝取一個(gè)掃描激光光條圖像，經(jīng)過圖像預(yù)處理、光條特征點(diǎn)提取、圖像匹配，利用視差計(jì)算出光條上所有點(diǎn)的坐標(biāo)值，即光條處物體的三維信息。

通過坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換把各光條統(tǒng)一到同一世界坐標(biāo)系下，得到整個(gè)物體的三維重建。三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)如下圖所示，硬件部分包括雙CCD攝像機(jī)，半導(dǎo)體激光器，電控平移臺(tái)以及步進(jìn)電機(jī)控制箱。

（1）高精度導(dǎo)航定位、全局環(huán)境語義，雙目視覺導(dǎo)航方案更適合掃地機(jī)器人

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和人們消費(fèi)觀念的轉(zhuǎn)變，更具科技屬性的智能規(guī)劃型掃地機(jī)器人成為最受費(fèi)者青睞的智能家居產(chǎn)品。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，智能規(guī)劃掃地機(jī)器人市場(chǎng)占比從17年的10%提升到18年的59%，其中激光導(dǎo)航占76%，視覺導(dǎo)航系統(tǒng)占24%。

而隨著視覺導(dǎo)航系統(tǒng)在iRobot、戴森等掃地機(jī)器人頭部陣營(yíng)不斷發(fā)酵，關(guān)于視覺導(dǎo)航單目、雙目的技術(shù)問題，也得到了掃地機(jī)器人廠商的廣泛關(guān)注。

雙目視覺導(dǎo)航是定位精度更高、系統(tǒng)性更強(qiáng)，更加智能的掃地機(jī)器人導(dǎo)航方案，能夠更好地引領(lǐng)掃地機(jī)器人向家庭清潔智能助手轉(zhuǎn)變，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，可以預(yù)見，雙目視覺導(dǎo)航系統(tǒng)將會(huì)逐漸成為掃地機(jī)器人主流導(dǎo)航定位方案。

（2）200幀高速采集，INDEMIND雙目視覺慣性模組助力立體視覺應(yīng)用升級(jí)

面對(duì)日益提升的使用需求，為提升產(chǎn)品適用性，INDEMIND深耕不輟，為旗下雙目視覺慣性模組提供了200幀高速環(huán)境獲取能力，滿足了不同場(chǎng)景的使用需求。

以車道檢測(cè)為例，在車道檢測(cè)環(huán)節(jié)中，視覺需對(duì)道路彎曲、陰影、路面變化、標(biāo)識(shí)線變化等路況實(shí)時(shí)反饋分析，并通過深度學(xué)習(xí)算法，自動(dòng)生成車輛最佳行駛路線。

而想要實(shí)現(xiàn)快速機(jī)動(dòng)反應(yīng)，便需要高速的環(huán)境采集能力，INDEMIND雙目視覺慣性模組的圖像采集幀率可達(dá)到200幀，在遇到車道變化時(shí)，雙目視覺慣性模組可以0.005秒/幀的速度快速檢測(cè)車道變化，并通過連續(xù)多幀分析車道變化趨勢(shì)，為自動(dòng)駕駛算法提供多方面精準(zhǔn)、快速的環(huán)境信息數(shù)據(jù)，輔助算法實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)自動(dòng)駕駛。

（3）雙目視覺項(xiàng)目在汽車領(lǐng)域的產(chǎn)品落地化

雙目視覺其實(shí)在很早的時(shí)候就在歐美以及日本，都運(yùn)用在車載上了。從1999年開始，斯巴魯就已經(jīng)搭載了最早的一個(gè)雙目相機(jī)，當(dāng)時(shí)是日立給它做的。到2016年的時(shí)候，寶馬、奔馳、捷豹路虎都在他們最高配的車型上搭載了雙目視覺。

從2016年到現(xiàn)在，雙目立體視覺的發(fā)展趨勢(shì)是從頂配的高端車型慢慢向中端甚至低端的車型覆蓋。這里面說明兩個(gè)問題，第一是大家對(duì)主動(dòng)安全的意識(shí)有提升，第二是在車載視覺傳感器的領(lǐng)域，大家開始慢慢接受雙目的傳感器。

目前博世、大陸、日立、奧托立夫、電裝這些大企業(yè)都在研發(fā)、采用，以及加快腳步推行他們的雙目視覺產(chǎn)品。

雙目視覺芯片發(fā)展的必要性和市場(chǎng)前景

（1）受益于配套基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善、制造業(yè)總體規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大、智能化水平不斷提高、政策利好等因素，中國(guó)機(jī)器視覺市場(chǎng)需求不斷增長(zhǎng)。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2018年中國(guó)機(jī)器視覺市場(chǎng)規(guī)模首次超過100億元。隨著行業(yè)技術(shù)提升、產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛，未來機(jī)器視覺市場(chǎng)將進(jìn)一步擴(kuò)大，預(yù)計(jì)2019年市場(chǎng)規(guī)模將近125億元。

（2）市場(chǎng)空間巨大：據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2018年全球機(jī)器視覺市場(chǎng)規(guī)模超88億美元。隨著應(yīng)用市場(chǎng)的進(jìn)一步擴(kuò)大，未來市場(chǎng)需求將進(jìn)一步放量。預(yù)計(jì)2019年，全球機(jī)器視覺市場(chǎng)規(guī)模將近100億美元。面對(duì)如此巨大的市場(chǎng)，并且核心的硬件芯片占了整套視覺系統(tǒng)大概35%的成本的情形下，半導(dǎo)體行業(yè)各個(gè)大公司都對(duì)此領(lǐng)域虎視眈眈。但是因其技術(shù)壁壘較高，需要有成熟的圖像算法方面積累，半導(dǎo)體公司也不敢貿(mào)然進(jìn)入。

（3）雙目視覺芯片是趨勢(shì)：圖像處理算法一開始應(yīng)用是采用服務(wù)器的軟件算法來完成，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，會(huì)擴(kuò)展到云端計(jì)算來完成，但是這樣對(duì)于網(wǎng)絡(luò)帶寬要求非常大，對(duì)于云服務(wù)器的計(jì)算量要求也非常高。

視頻圖像處理技術(shù)算法的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，必然是需要專業(yè)的芯片來完成，該芯片就是機(jī)器視覺（CV）芯片。芯片是能夠降低成本，同時(shí)提高運(yùn)算能力的方式，從近年的整個(gè)行業(yè)情況來看，計(jì)算機(jī)視覺作為人工智能領(lǐng)域最重要的方向之一。

（4）機(jī)器視覺是強(qiáng)需求：在當(dāng)今這個(gè)時(shí)代，計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域呈現(xiàn)出很多新的趨勢(shì)，其中最為顯著的一個(gè)，就是應(yīng)用的爆炸性增長(zhǎng)。除了手機(jī)、個(gè)人電腦和工業(yè)檢測(cè)之外，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在智能安防、機(jī)器人、自動(dòng)駕駛、智慧醫(yī)療、無人機(jī)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等領(lǐng)域都出現(xiàn)了各種形態(tài)的應(yīng)用方式，計(jì)算機(jī)視覺迎來了一個(gè)應(yīng)用爆炸性增長(zhǎng)的時(shí)代。

編輯：jq