基于模板圖割立體匹配算法

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1、基于模板圖割立體匹配算法　　摘要：近年來，基于圖像或視頻的三維重建技術(shù)的研究和應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注，尤其是基于圖像的三維重建技術(shù)。立體匹配技術(shù)是三維重建中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。提出了一種全局立體匹配算法——基于模板的圖割立體匹配算法（TGC），該算法包括三個步驟：參考圖像的分割、視差平面估計、使用圖割方法為視差平面分配標(biāo)簽。選取Middlebury測試集，將文中的算法與立體匹配領(lǐng)域中的經(jīng)典算法在PBM值和運行效率上進(jìn)行了對比和分析，取得了較好的效果。關(guān)鍵詞：立體匹配；模板分割；視差平面；圖割算法中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-2163（20

2、13）05-0050-050引言近些年來，已有越來越多的立體匹配算法涌現(xiàn)出來，這些算法的基本構(gòu)架是：在基元相似的條件下，找到一種約束的匹配規(guī)則進(jìn)行最優(yōu)搜索，并且保證這種搜索能最終找到近似的最優(yōu)解。但是立體匹配問題的解決本身就存在著模糊性，比如：噪聲干擾、弱紋理區(qū)域、遮擋區(qū)域、重復(fù)紋理區(qū)域和深度不連續(xù)性。5立體匹配的算法性能依賴于三個因素：準(zhǔn)確的匹配基元、與基元相對應(yīng)的匹配準(zhǔn)則、構(gòu)建能夠準(zhǔn)確匹配所選基元的穩(wěn)定算法[1]。2001年，Taoetal.提出了一個基于色彩分割的立體匹配算法的框架[2]，該框架建立在一種重要的假設(shè)之上，即：實現(xiàn)分割的區(qū)域之內(nèi)是沒有較大

3、視差變化的。其主要思想是：如果假設(shè)的視差值是正確的，則根據(jù)這個視差值將參考圖像變換到另外一個視角，即匹配圖像中，使其呈現(xiàn)出能夠與匹配圖像相匹配的效果。因為，立體匹[JP2]配問題就是通過最小化全局圖像的能量函數(shù)而得到解決的。圖像的色彩分割表示法旨在減少解決問題的步驟，且可以強(qiáng)化區(qū)域內(nèi)的視差的平滑性約束。通過鄰近視差值假設(shè)的方法提出的貪婪區(qū)域的搜索機(jī)制進(jìn)一步縮減卷積代價、為不匹配區(qū)域找到更好的視差值。[JP]Boykovetal.和Kolmogorov連同Zabin提出了基于Graphcuts的立體匹配算法[3，4]，以找到與觀察到的數(shù)據(jù)相一致的光滑視差圖像。

4、在其提出的算法中，立體匹配問題可等價為一個能量最小化的問題，能量方程中通常包含：（1）衡量在相鄰像素對之間視差值平滑性的平滑項Es；（2）衡量給予像素的標(biāo)簽不一致性的數(shù)據(jù)項Ed。5找到能量方程后，就可以據(jù)此方程建立一個帶權(quán)圖，在這個圖中，結(jié)點代表像素，圖的標(biāo)簽集或者是說終點與所有可能的視差值（或者是視差范圍區(qū)間內(nèi)的任何一個具體值）且圖中的邊的權(quán)值與已經(jīng)定義好的能量方程中的項相一致。Graphcuts算法機(jī)制可以得到近似的優(yōu)化解，這個優(yōu)化解就是將視差值（標(biāo)簽）分配到對應(yīng)的像素（圖中的結(jié)點）上。綜合基于色彩的分割算法和Graphcuts的思想，本文提出了基于模板

5、的圖割立體匹配算法（TGC）。在TGC算法中，參考圖像可分割為不重疊、無交集的一個個的圖像部分，而要找到一個假設(shè)的視差值的集合，場景結(jié)構(gòu)則近似地等價為視差空間內(nèi)的平面集合，且這些平面不必是相互平行的。那么立體匹配算法就成為將視差空間中的平面與分割后的參考圖像的部分相匹配的問題，這樣做的目的是因為在分割后的小區(qū)域內(nèi)建立能量評價函數(shù)更為容易。TGC使用與Boykovetal.論文中Graphcuts類似的方式來找到能量方程的近似最優(yōu)解，但是在建立圖像時圖像中的結(jié)點代表的是分割后的圖像部分而非像素點。所以，在大多數(shù)立體匹配處理的圖像中，圖像分割后的部分?jǐn)?shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于

6、像素點數(shù)的，這就直接使建立得到的圖像簡單且會有更快的計算速度。另外，跟Birchfiel和Tomasi提出的算法思想類似[5]，TGC使用平滑視差項代表被加強(qiáng)了分段連續(xù)性的視差連續(xù)的區(qū)域，但是遮擋區(qū)域通常會在合并之后進(jìn)行處理，并且是在分割部分的區(qū)域內(nèi)建立圖像，正因為此，將降低Graphcuts階段的計算的復(fù)雜度。51參考圖像的分割TGC則建立于如下假設(shè)上：立體匹配算法處理的圖片的大的視差的不連續(xù)僅僅會在分割后的部分與部分之間的邊界處。嚴(yán)格地將視差連續(xù)性加強(qiáng)在區(qū)域內(nèi)，次分割部分由于在分割后的部分與部分之間的平滑性約束（定義為能量方程中的Esmoth項）在很大程

7、度上被容忍。2視差平面估計TGC使用一個視差連續(xù)的表面表示場景結(jié)構(gòu)，近似地可以認(rèn)為每一個表面均是一個平面，而不是不規(guī)則的曲面，但是這種平面是可以想象為任何復(fù)雜的曲面的。當(dāng)然，這種近似的平面也會使得在計算時，視差的準(zhǔn)確度相應(yīng)地有所降低。但是這種近似使得模型得到簡化，同時也能夠應(yīng)用于更多的領(lǐng)域，如：視覺合成、三維重建等。在這個部分中，使用下面的步驟估計場景中的視差平面。首先，使用區(qū)域立體匹配的規(guī)則找到初始的粗糙視差值。其后，為每一個分割后得到的模板找到表示模板函數(shù)的內(nèi)部參數(shù)，在這里計算時，將跳過分割得到的太小的模板。最后，在得到的模板參數(shù)描述的基礎(chǔ)上，對相似模板

8、通過擬合操作，以進(jìn)一步減少模板數(shù)目，并且在下一部分使