立体视觉入门指南：双相机标定再不收藏我收费了~

Posted 2022-11-26 李迎松~

亲爱的同学们，我们的世界是3D世界，我们的双眼能够观测三维信息，帮助我们感知距离，导航避障，从而翱翔于天地之间。而当今世界是智能化的世界，我们的科学家们探索各种机器智能技术，让机器能够拥有人类的三维感知能力，并希望在速度和精度上超越人类，比如自动驾驶导航中的定位导航，无人机的自动避障，测量仪中的三维扫描等，都是高智机器智能技术在3D视觉上的具体实现。

立体视觉是三维重建领域的重要方向，它模拟人眼结构用双相机模拟双目，以透视投影、三角测量为基础，通过逻辑复杂的同名点搜索算法，恢复场景中的三维信息。它的应用十分之广泛，自动驾驶、导航避障、文物重建、人脸识别等诸多高科技应用都有它关键的身影。

本课程将带大家由浅入深的了解立体视觉的理论与实践知识。我们会从坐标系讲到相机标定，从被动式立体讲到主动式立体，甚至可能从深度恢复讲到网格构建与处理，感兴趣的同学们，来和我一起探索立体视觉的魅力吧！

本课程是电子资源，所以行文并不会有太多条条框框的约束，但会以逻辑清晰、浅显易懂为目标，水平有限，若有不足之处，还请不吝赐教！
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前两篇博主介绍了两种单相机标定方法，有同学一定会有所疑惑，本系列明明是立体视觉，为什么要介绍单相机标定而不是双相机标定呢？原因很简单，那就是单相机标定是双相机标定的基础，具体来说，双相机标定正是先分别完成两个单相机的标定，再进行整体标定的。且听我娓娓道来~

文章目录

• • 双视立体
  • 双相机标定
  • 算法部分
  • 总结
  • 作业

双视立体

有一个常识性认知，即立体视觉一般而言是指双相机组成的立体系统，就像人眼一样。当两个相机拍摄的视图之间存在重叠区，它们便形成了基本的双视立体。

双视图通过极线校正和立体匹配，可以通过三角关系得到三维点，

但这一切实现的前提：

1. 要准确的知道双相机之间的位置关系，即其中一个相机对于另一个相机的旋转$R$和平移$t$，即相机的外参数
2. 要准确的知道双相机内部的设备参数，比如像主点$(x_0,y_0)$、焦距$f$、畸变参数等，即相机的内参数

关于内外参数的介绍，请看前篇：立体视觉入门指南（1）：坐标系与相机参数

双相机标定

一般情况下，我们所见到的最多的双视立体，由两个不同的相机固定在刚性的结构上，构成稳定的双目立体系统。在使用过程中，相机之间不会有明显的相互移动，稳定的双视结构可以在任意时刻完成单帧深度信息的获取。下图为一些示例：

前面我们说到，单相机可以得到相机内参矩阵$K$、外参矩阵$R,t$，而双相机标定相比单相机标定来说

1. 多了一个相对外参，即右相机相对于左相机的旋转矩阵 $R$ 和平移向量 $t$。
2. 少了两个绝对外参，即单相机自身标定出来的外参矩阵不再需要了，即只保留1得到的相对外参，称之为立体视觉系统的外参。（实际上单相机标定一般也不需要绝对外参，只是作为标定的输出自然产出，在双相机标定中，绝对外参可以作为中间变量计算相对外参）

我们在文章开头说到，双相机标定是基于单相机标定做的，我想聪明的同学已经想到了一部分思路，首先我们采用同样的拍摄方法采集标定标定图案，大部分操作方式和注意点都是一样的，详见立体视觉入门指南（3）：相机标定之张式标定法【超详细值得收藏】

不同的地方在于：

1. 每一次拍摄时，要注意两个相机的重叠区是否足够，一般超过1/2的图像区域就可以了，当然越大越好，在一些偏的较大的角度下，可以牺牲一定的重叠度。
2. 注意两个相机尽量保持在统一的距离下采集，这样是为了保证两个视图的尺度和清晰度一致，减小不一致带来的误差。

示意图：

算法部分

图像采集后，进入算法部分，如前所述，第一步我们对两个相机单独做单相机标定，得到两个相机各自的内参矩阵K、绝对外参$R,t$（即每次采集时相机相对于标定板的外参），和畸变系数$d$（这里的$d$是所有畸变系数的集合）
1. 对两个相机单独做单相机标定，得到两个相机各自的内参矩阵K、绝对外参$R,t$，和畸变系数$d$

然后有的同学可能想到了，根据每次采集的绝对外参，即可以计算出相对外参，但是显然我们会生成N个相对外参（N是采集的像对数量，也就是采集位置数），取哪一个好呢？取均值？还是取中值？

有经验的同学会发现，这两种都不太可靠，首先取均值就对显著性异常值毫无鲁棒性，只要某一对的绝对外参求错了，均值就影响很大；其次取中值由于只取某一对，又没有利用到多次测量的误差平均特性。

所以比较可靠的做法是，计算每次采集的相对外参，并取中值作为初值，再基于最小化重投影误差，非线性迭代优化得到最优解。在此方案下，相机的内参可以做为固定值，未知数为N组左相机的绝对外参$(R_i,t_i),i=1,..n$、1组右相对相对于左相机的相对外参$R^{\prime },t^{\prime }$。最小重投影误差方程和单相机标定一样，只是右相机的绝对外参通过左相机的绝对外参和相对外参计算得到。

2. 计算每次采集的相对外参，并取中值作为初值，再基于最小化重投影误差，非线性迭代优化得到最优解

由于第二次迭代优化时，相机内参是固定的，外参个数也减少了且有较为准确的初值，所以迭代会相对更容易收敛且更精确。

总结

立体视觉通过立体匹配计算深度的前提：

1. 要准确的知道相机之间的位置关系，即其中一个相机对于另一个相机的旋转$R$和平移$t$，即相机的外参数
2. 要准确的知道相机内部的设备参数，比如像主点$(x_0,y_0)$、焦距$f$、畸变参数等，即相机的内参数

双相机标定相比单相机标定来说：

1. 多了一个相对外参，即右相机相对于左相机的旋转矩阵 $R$ 和平移向量 $t$。
2. 少了两个绝对外参，即单相机自身标定出来的外参矩阵不再需要了，即只保留1得到的相对外参，称之为立体视觉系统的外参。

双相机图像采集的相比单相机图像采集不同的地方在于：

1. 每一次拍摄时，要注意两个相机的重叠区是否足够，一般超过1/2的图像区域就可以了，当然越大越好，在一些偏的较大的角度下，可以牺牲一定的重叠度。
2. 注意两个相机尽量保持在统一的距离下采集，这样是为了保证两个视图的尺度和清晰度一致，减小不一致带来的误差。

双相机标定算法步骤：

1. 对两个相机单独做单相机标定，得到两个相机各自的内参矩阵K、绝对外参$R,t$，和畸变系数$d$
2. 计算每次采集的相对外参，并取中值作为初值，再基于最小化重投影误差，非线性迭代优化得到最优解

所以你

作业

这里为大家准备了一些练习题，可以通过实践加深理解：

1 通过opencv开源库提供的接口完成双相机标定。
2 更高阶的是，你能够自己不依赖opencv库写一套双相机标定算法吗？或者只使用opencv来检测角点坐标，其他步骤自己来实现。

参考答案地址：https://github.com/ethan-li-coding/StereoV3DCode [不好意思放了，代码其实很久没更新了，但是你相信我有一天会更的对吗？]