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立体视觉与立体像对

来自還阔以
立体像对与立体视觉
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image_caption 立体视觉原理示意图:左右眼从不同视角观察同一物体,大脑将两幅有差异的图像融合成具有深度感的立体知觉。
en_title Stereo Pair & Stereopsis
core_concept 视差、同名像点、核线
application 摄影测量机器人导航、三维重建、虚拟现实
principle 模拟人眼双目视差,从两幅或多幅图像中获取对象的三维几何信息。
field 摄影测量、计算机视觉



立体像对(Stereo Pair)是指从两个不同位置拍摄的、对同一区域具有重叠覆盖范围的两张像片(或图像)。这种设置模拟了人类的双眼视觉系统。

立体视觉(Stereopsis 或 Stereoscopic Vision)则是指大脑将来自左、右眼的,具有微小差异的两幅图像进行融合,从而产生深度和距离感的生理和心理过程。在摄影测量和计算机视觉中,该术语被借用来描述通过处理立体像对,以恢复场景三维几何信息的技术。

立体像对和立体视觉是摄影测量获取地面三维坐标、建立地形模型的基础。

核心概念

视差 (Parallax)

视差是立体视觉中的最核心概念。它是指当从两个不同视点观察同一个物体时,该物体在两个视网膜(或像片)上成像位置的差异。这个差异量(称为视差值)与物体的距离直接相关:距离观察者越近的物体,其视差越大;反之,距离越远的物体,视差越小。通过精确测量同名点在立体像对上的视差,就可以计算出该点的三维坐标,特别是高程。

同名像点 (Homologous Points)

同一个空间点在立体像对的两张像片上的对应成像点,称为一对同名像点。准确地寻找和匹配同名像点,是立体视觉计算的前提。

核线 (Epipolar Line)

核线是立体几何中的一个重要约束,可以极大地简化同名像点的搜索过程。对于左像片上的任意一个像点,其在右像片上的同名像点必然位于一条已知的直线上,这条直线就称为右像片的核线。反之亦然。这意味着,寻找同名像点的过程不再是整个二维图像的搜索,而简化为在一维的核线上进行搜索,极大地提高了匹配的效率和可靠性。

立体像对的获取

  • 航空摄影:飞行器(如飞机、无人机)在规划的航线上飞行,通过相机按一定的时间间隔连续拍摄,确保相邻像片之间具有足够的航向重叠度(通常为60%以上),从而形成航带状的立体像对。
  • 地面摄影:使用两个相机(或一个移动的相机)从不同位置拍摄物体,获取立体像对,常用于近景摄影测量和三维重建。
  • 卫星摄影:通过同一颗卫星在不同轨道位置,或不同卫星组成的星座,对同一地区进行拍摄,获取卫星影像立体像对。

应用

  • 地形图测绘:通过立体测图仪或数字摄影测量工作站,作业员可以观测立体像对形成的立体模型,并勾绘出等高线、地物地貌,从而生产地形图
  • 数字高程模型 (DEM) 生成:通过对立体像对进行密集的同名点自动匹配,可以为区域内的大量点计算高程,从而生成数字高程模型。
  • 三维重建:在计算机视觉中,利用立体视觉技术可以对物体或场景进行精确的三维建模。
  • 机器人导航:搭载双目摄像头的机器人可以利用立体视觉实时感知环境的深度信息,实现避障和路径规划。

参见