无人驾驶：如何使用立体视觉实现距离估计？

译者：AI研习社（ Zach 、 Suen ）

双语原文链接： Pseudo-LiDAR — Stereo Vision for Self-Driving Cars

在自动化系统中， 深度学习 和计算机视觉已经疯狂地流行起来，无处不在。计算机视觉领域在过去十年中发展迅速，尤其是是障碍物检测方面。

障碍物检测 算法 ，如YOLO或RetinaNet，提供2D的标注框，该标注框指明了障碍物在图像中的位置。

为了获取每个障碍物的距离，工程师将相机与激光雷达(光探测和测距)传感器融合，使用激光返回深度信息。利用传感器融合技术将计算机视觉和激光雷达的输出融合在一起。

使用激光雷达这种方式存在价格昂贵的问题。而对此，工程师使用的一个有用的技巧是：对齐两个像机，并使用几何原理来计算每个障碍物的距离。我们称这种新设置为 伪激光雷达。

单目视觉和立体视觉

伪激光雷达利用几何原理构造深度图，并将其与物体探测相结合，以获得三维的距离。

如何利用立体视觉实现距离估计？

以下5步伪代码用于获取距离：

1.校准2台照相机（内部和外部校准）

2.创建极线方案

3. 先建立视差图，再建立深度图

然后，深度图将与障碍检测 算法 结合在一起，我们将估算边界框像素的深度。本文结尾处有更多内容。

开始吧！

1.内部和外部校准

每个摄像机都需要校准。校准意味着将具有[X，Y，Z]坐标的3D点（世界上）转换为具有[X，Y]坐标的2D像素。

相机型号

当今的相机使用针孔相机模型。

这个想法是使用针孔让少量光线穿过相机，从而获得清晰的图像。

如果图像中间没有障碍物，那么每条光线都会通过，图像会变得模糊。它还使我们能够确定用于变焦和更好清晰度的焦距f。

要校准相机，我们需要将世界坐标转换为通过相机坐标的像素坐标。

相机校准过程

• 从世界坐标到摄像机坐标的转换称为外部校准。外在参数称为R（旋转矩阵）和T（平移矩阵）。

• 从相机坐标到像素坐标的转换称为固有校准。它需要相机的内部值，例如焦距，光学中心等。

固有参数是我们称为K的矩阵。

校准

过相机校准可以找到K矩阵。

通常，我们使用棋盘格和自动 算法 来执行它。 当我们这样做时，我们告诉算法棋盘上的一个点（例如：0,0,0）对应于图像中的一个像素（例如：545、343）。

校准示例

为此，我们必须使用相机拍摄棋盘格的图像，并且在经过一些图像和某些点之后，校准算法将通过最小化最小二乘方损失来确定相机的校准矩阵。

通常，必须进行校准才能消除图像失真。 针孔摄像头模型包括变形，即“ GoPro效果”。 为了获得校正的图像，必须进行校准。 变形可以是径向的或切向的。 校准有助于使图像不失真。

图像校准

以下是相机校准返回的矩阵：

• f是焦距-（u₀，v₀）是光学中心：这些是固有参数。

每一个计算机视觉工程师都必须了解和掌握摄像机的标定。这是最基本、最重要的要求。我们习惯于在线处理图像，从不接触硬件，这是个错误。

-尝试运行OpenCV进行摄像机校准。

同类坐标

在相机校准过程中，我们有两个公式可以将世界上的点O设为像素空间：

world到相机的转换

外在校准公式

相机到图像的转换

内部校准公式

当您进行数学运算时，您将得出以下等式：

world到图像的转换

完整公式

如果您查看矩阵尺寸，则不匹配。

因此，我们需要将O_world从[X Y Z]修改为[X Y Z 1]。

该“ 1”称为齐次坐标。

2.极线几何--立体视觉

立体视觉是基于两张图像来寻找深度。

我们的眼睛就像两个相机。因为它们从不同的角度看同一幅图像，它们可以比对两种视角之间的差异，并计算出距离估计。

下面是立体相机设置的示例。你会在大多数自动驾驶汽车上发现类似的东西。

立体相机如何估算深度

假设你有两个相机，一左一右。这两个相机在相同的Y轴和Z轴上对齐。基本上，唯一的区别就是它们X值不一样。

现在，看看下面的描述。

立体相机简图

我们的目标是估算出O点（代表图像中的任何像素）的Z值，即深度距离。

• X 为对齐轴；

• Y 为高度；

• Z 为深度；

• 两个蓝色平面对应于来自两个相机的图像。

现在从鸟瞰的角度来考虑这个问题。

立体相机鸟瞰图说明：

• xL 对应于左相机中的光心，xR对应于右相机中的光心。

• b 是基线，它是两个相机之间的距离。

如果你运用泰勒斯定理，你会发现我们可以得到两个方程

• 对于左边相机：

左相机方程

? 我们得到 Z = X*f / xL.

• 对于右边相机：

右相机方程：

? 我们获得 Z = (X — b)*f/xR.

放在一起，我们可以找到正确的视差 d =xL -- xR和目标正确的 XYZ 坐标。

3. 视差与深度图

视差是什么?视差是一个三维点从两个不同的相机角度在图像中位置的差异。

立体视觉公式

为了解决这个问题--

• 现在在左边的图像中取一个像素

• 要在右边的图像中找到这个像素，只需在基线上搜索它。没有必要进行2D搜索，点应该位于这条线上，搜索范围缩小到 1D。

基线

这是因为两个相机是沿着同一轴对齐的。

以下是基线搜索的工作原理：

基线搜索

应用：建立伪激光雷达

现在，是时候将这些应用到真实世界的场景中，看看我们如何用立体视觉来估计物体的深度。

考虑两张图片--

立体视觉

每一幅图像都有外部参数 R 和 t，事先通过校准确定(步骤1)。

视差

对于每一幅图像，我们可以计算相对于另一幅图像的视差图。我们将做如下操作：

• 确定两幅图像之间的视差。

• 投影矩阵分解成相机的内在矩阵 K和外在矩阵 R，t。

• 利用我们在前面两个步骤中收集到的数据估算深度。

我们将获得左右图像的视差图。

为了帮助您更好地理解差异的含义， 我在 Stack Overflow 上找到了一个很棒的解释 。

视差图是指一对立体图像之间的明显像素差或运动。

要体验这一点，试着闭上你的一只眼睛，迅速闭上，同时睁开另一只。离你很近的物体看起来会跳跃一段很长的距离，而离你很远的物体几乎不会移动。这个运动就是视差。在一对来自立体摄像机的图像中，你可以测量每个点的视运动像素，并根据测量结果制作出一个强度图像。

从视差到深度图

? 我们有两个视差图，这基本上告诉我们，两幅图像之间的像素位移是多少。

对于每个摄像机，都有一个投影矩阵 P_left 和 P_right。为了估计深度，我们需要估计K, R 和 t。

世界坐标系到相机坐标系的转换 一个名为

cv2.decomposeProjectionMatrix()的OpenCV函数可以做到这一点，并从 P 中得到 K、R 和 t；对于每个相机，现在是时候生成深度图了。深度图将使用其他图像和视差图告诉我们图像中每个像素的距离。

这个过程如下：

• 从矩阵 K 获得焦距 f；

• 使用转换向量 t 中的相应值来计算基线 ?；

• 使用之前的公式和视差图 d 计算图像的深度图；

立体视觉公式

我们对每个像素进行计算。

估计障碍物的深度

针对每个相机，我们都有一个深度图！ 现在，假设我们将其与障碍检测 算法 （例如YOLO）结合在一起。 对于每个障碍，这种算法都会返回带有4个数字的边界框：[x1; y1; x2; y2]。 这些数字表示框的左上角和右下角的坐标。

例如，我们可以在左边的图像上运行这个算法，然后使用左边的深度图。

现在，在这个边界框中，我们可以取最近的点。我们知道它，因为我们知道图像中每个点的距离。边界框中的第一个点是我们到障碍物的距离。

真不可思议！我们刚刚构建了伪激光雷达！

借助立体视觉，我们不仅知道图像中的障碍物，而且知道它们与我们的距离！ 这个障碍距离我们28.927米！

立体视觉是一种使用简单的几何图形和一个额外的摄像机将2D障碍物检测转换为3D障碍物检测的技术。如今，大多数新兴的edge平台都考虑了立体视觉，比如新的OpenCV AI Kit或对Raspberry和Nvidia Jetson卡的集成。

在成本方面，与使用LiDAR相比，它保持相对便宜，并且仍具有出色的性能。我们称它为伪激光雷达，因为它可以取代激光雷达的功能。检测障碍物，对障碍物进行分类，并在3D中进行定位。

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