【立体匹配之一】StereoBM

关于立体匹配的文章看多了，总想自己也动手写一写，在没开始之前，我们先看看OpenCV在立体匹配方面有哪些可以借鉴的地方，这里我们先从基础的BM算法入手。
如果，调用OpenCV库的BM算法，只需要两个操作：

Ptr<StereoBM> bm = StereoBM::create(16,9);

和

bm->compute(img1, img2, disp);

BＭ中主函数findStereoCorrespondenceBM是实现BM的核心部分，下面我们就研究一下该函数的具体原理：
第一部分：

// 预处理Xsobel代码详解
void prefilterXSobel( const Mat& src, Mat& dst, int ftzero )
{int x, y;const int OFS = 256*4, TABSZ = OFS*2 + 256;uchar tab[TABSZ] = { 0 };Size size = src.size();//建立映射表，映射范围０到６１for( x = 0; x < TABSZ; x++ )tab[x] = (uchar)(x - OFS < -ftzero ? 0 : x - OFS > ftzero ? ftzero*2 : x - OFS + ftzero);uchar val0 = tab[0 + OFS];//竖直滑窗，每次可以处理两个for( y = 0; y < size.height-1; y += 2 ){//防止越界访问及确定指针位置const uchar* srow1 = src.ptr<uchar>(y);//指向当前操作行//当为首行时，指向下一行，当不为首行时，指向上一行const uchar* srow0 = y > 0 ? srow1 - src.step : size.height > 1 ? srow1 + src.step : srow1;//当没有到下边界时，指向当前行的下一行const uchar* srow2 = y < size.height-1 ? srow1 + src.step : size.height > 1 ? srow1 - src.step : srow1;//当没有到下边界的倒数第二行时，指向当前操作行的下下行const uchar* srow3 = y < size.height-2 ? srow1 + src.step*2 : srow1;//初始化数据指针uchar* dptr0 = dst.ptr<uchar>(y);uchar* dptr1 = dptr0 + dst.step;//处理首值问题dptr0[0] = dptr0[size.width-1] = dptr1[0] = dptr1[size.width-1] = val0;x = 1;// 处理当前操作行的每一个元素for( ; x < size.width-1; x++ ){//计算xsobel的值int d0 = srow0[x+1] - srow0[x-1], d1 = srow1[x+1] - srow1[x-1],d2 = srow2[x+1] - srow2[x-1], d3 = srow3[x+1] - srow3[x-1];//映射梯度int v0 = tab[d0 + d1*2 + d2 + OFS];int v1 = tab[d1 + d2*2 + d3 + OFS];dptr0[x] = (uchar)v0;dptr1[x] = (uchar)v1;}}// 下边界处理for( ; y < size.height; y++ ){uchar* dptr = dst.ptr<uchar>(y);x = 0;for(; x < size.width; x++ )dptr[x] = val0;}
}

第二部分：

// 预处理的归一化
void prefilterNorm( const Mat& src, Mat& dst, int winsize, int ftzero, uchar* buf )
{int x, y, wsz2 = winsize/2;//初始化做指针对齐int* vsum = (int*)alignPtr(buf + (wsz2 + 1)*sizeof(vsum[0]), 32);//映射因子计算int scale_g = winsize*winsize/8, scale_s = (1024 + scale_g)/(scale_g*2);const int OFS = 256*5, TABSZ = OFS*2 + 256;uchar tab[TABSZ];//初始化访问图像指针const uchar* sptr = src.ptr();int srcstep = (int)src.step;Size size = src.size();scale_g *= scale_s;//建立规划映射表for( x = 0; x < TABSZ; x++ )tab[x] = (uchar)(x - OFS < -ftzero ? 0 : x - OFS > ftzero ? ftzero*2 : x - OFS + ftzero);//初始化vsum数据重复利用表，首先把图像中首行的数据全部乘以 wsz2+2 （该数据根据滑窗大小给出）保存到vsum中//然后将首行以后的[１,wsz2)行的数据累加到vsum中完成竖直滑窗初始化。for( x = 0; x < size.width; x++ )vsum[x] = (ushort)(sptr[x]*(wsz2 + 2));for( y = 1; y < wsz2; y++ ){for( x = 0; x < size.width; x++ )vsum[x] = (ushort)(vsum[x] + sptr[srcstep*y + x]);}//主循环开始，一行一行的处理for( y = 0; y < size.height; y++ ){// 判断边界问题，防止越界访问错误const uchar* top = sptr + srcstep*MAX(y-wsz2-1,0);const uchar* bottom = sptr + srcstep*MIN(y+wsz2,size.height-1);const uchar* prev = sptr + srcstep*MAX(y-1,0);const uchar* curr = sptr + srcstep*y;const uchar* next = sptr + srcstep*MIN(y+1,size.height-1);uchar* dptr = dst.ptr<uchar>(y);//该循环为竖直滑窗向下滑，用第一个滑窗的总和减去第一个滑窗中的第一个元素，//然后在加上第二个滑窗最后一个元素即为第二个滑窗的总和,依次类推对整个ｗｉｄｔｈ做一遍for( x = 0; x < size.width; x++ )vsum[x] = (ushort)(vsum[x] + bottom[x] - top[x]);//该循环用来对vsum做边界处理，把最左边值赋值给在指针对齐时预留出来的对应位置，也是对横向滑窗的一个预处理for( x = 0; x <= wsz2; x++ ){vsum[-x-1] = vsum[0];vsum[size.width+x] = vsum[size.width-1];}//对归一化小窗口内的总和做处理，此处针对的是每次每行处理时的边界int sum = vsum[0]*(wsz2 + 1);for( x = 1; x <= wsz2; x++ )sum += vsum[x];//对每行第一个像素进行归一化映射int val = ((curr[0]*5 + curr[1] + prev[0] + next[0])*scale_g - sum*scale_s) >> 10;dptr[0] = tab[val + OFS];//对每一行零以后的每个像素进行归一化映射for( x = 1; x < size.width-1; x++ ){sum += vsum[x+wsz2] - vsum[x-wsz2-1];val = ((curr[x]*4 + curr[x-1] + curr[x+1] + prev[x] + next[x])*scale_g - sum*scale_s) >> 10;dptr[x] = tab[val + OFS];}//处理最后边界问题，对每行最后一个像素进行归一化映射。sum += vsum[x+wsz2] - vsum[x-wsz2-1];val = ((curr[x]*5 + curr[x-1] + prev[x] + next[x])*scale_g - sum*scale_s) >> 10;dptr[x] = tab[val + OFS];}
}

第三部分：

// BM算法的实现位于源代码 modules/calib3d/src/stereobm.cpp文件中，函数名为 findStereoCorrespondenceBM
// Computes the disparity map using block matching algorithm.
// 具体参考：http://opencv.jp/opencv-2.1_org/py/camera_calibration_and_3d_reconstruction.html#findstereocorrespondencebm
// 首先要对边界或者说是滑动窗口进行初始化，先要计算一个winSAD窗口大小的宽度和图像行数大小的区域的ＡＤ留作后边主循环用，主要采用的是滑窗共享部分数据，减少计算量
template <typename mType>
static void
findStereoCorrespondenceBM( const Mat& left, const Mat& right,Mat& disp, Mat& cost, const StereoBMParams& state,uchar* buf, int _dy0, int _dy1, const int disp_shift )
{// opencv代码的特点：1.空间换时间：申请足够大的内存，预先计算出可以复用的数据并保存，后期直接查表使用；//                2.非常好地定义和使用了各种指针和申请的内存。// cost定义了Mat型，buf是一个指针，都不知道是输入还是输出。const int ALIGN = 16;int x, y, d;int wsz = state.SADWindowSize, wsz2 = wsz/2;    // windows sizeint dy0 = MIN(_dy0, wsz2+1), dy1 = MIN(_dy1, wsz2+1); // dy0, dy1 是滑动窗口中心点到窗口第一行和最后一行的距离，// 由于一般使用奇数大小的方形窗口，因此可以认为dy0 = dy1 = wsz2int ndisp = state.numDisparities; // 视差范围int mindisp = 0;    // default state.minDisparity is 0;int lofs= MAX(ndisp - 1 + mindisp, 0); // left of startint rofs = -MIN(ndisp - 1 + mindisp, 0);  // right of startint width = left.cols, height = left.rows;int width1 = width - rofs - ndisp + 1;int ftzero = state.preFilterCap; // 这里是前面预处理做x方向的sobel滤波时的截断值，默认为31.// 预处理的结果并不是sobel滤波的直接结果，而是做了截断：// 滤波后的值如果小于-preFilterCap，则说说明纹理较强，结果为0；// 如果大于preFilterCap，则说明纹理强，结果为2*prefilterCap;// 如果滤波后结果在[-prefilterCap, preFilterCap]之间（区间表示，下同），对应取[0, 2*preFilterCap]。int textureThreshold = state.textureThreshold;   // 纹理阈值int uniquenessRatio = state.uniquenessRatio;    // 相似点的比率mType FILTERED = (mType)((mindisp - 1) << disp_shift);  // 匹配失败的默认值// 定义各个变量的指针int *sad, *hsad0, *hsad, *hsad_sub, *htext;  // ndisp缓存的行指针// htext 纹理缓存uchar *cbuf0, *cbuf; // 滑窗列的指针位置// 定义一个指向行指针的变量// cv::Ptr< T >::Ptr ()// The default constructor creates a null Ptr - one that owns and stores a null pointer. const uchar* lptr0 = left.ptr() + lofs;const uchar* rptr0 = right.ptr() + rofs;const uchar *lptr, *lptr_sub, *rptr;// Mat矩阵中数据指针Mat.data是uchar类型指针，CV_8U系列可以通过计算指针位置快速地定位矩阵中的任意元素。// Mat::ptr()来获得指向某行元素的指针，在通过行数与通道数计算相应点的指针。mType* dptr = disp.ptr<mType>(); // int sstep = (int)left.step;int dstep = (int)(disp.step/sizeof(dptr[0]));int cstep = (height+dy0+dy1)*ndisp;int costbuf = 0;int coststep = cost.data ? (int)(cost.step/sizeof(costbuf)) : 0;const int TABSZ = 256;uchar tab[TABSZ];//初始化做指针对齐// cbuf0 -> htext -> hsad0 -> sad -> buf // 垂直偏移和水平偏移sad = (int*)alignPtr(buf + sizeof(sad[0]), ALIGN); // 注意到sad的前面留了一个sizeof(sad[0])的位置，函数最后要用到。hsad0 = (int*)alignPtr(sad + ndisp + 1 + dy0*ndisp, ALIGN); // 这里额外说一句，opencv每次确定变量的字节数时都直接使用变量而不是int, double等类型，// 这样当变量类型变化时可以少修改代码。htext = (int*)alignPtr((int*)(hsad0 + (height+dy1)*ndisp) + wsz2 + 2, ALIGN);cbuf0 = (uchar*)alignPtr((uchar*)(htext + height + wsz2 + 2) + dy0*ndisp, ALIGN);// 建立映射表，方便后面直接引用。以之前的x方向的sobel滤波的截断值为中心，距离这个截断值越远，说明纹理越强。for( x = 0; x < TABSZ; x++ )tab[x] = (uchar)std::abs(x - ftzero);// initialize buffers// void *memset(void *s, int ch, size_t n);// 将s中当前位置后面的n个字节 （typedef unsigned int size_t ）用 ch 替换并返回 s memset( (hsad0 - dy0*ndisp), 0, (height + dy0 + dy1)*ndisp*sizeof(hsad0[0]) );memset( (htext - wsz2 - 1), 0, (height + wsz + 1)*sizeof(htext[0]) );// 首先初始化计算左图 x 在[-wsz2 - 1, wsz2), y 在[-dy0, height + dy1) 范围内的各个像素，// 右图视差为[0. ndisp)像素之间的SAD. // 注意这里不处理 wsz2 列，并且是从-wsz2 - 1 列开始，（这一列不在第一个窗口[-wsz2, wsz2]中），// 这是为了后续处理时逻辑统一和代码简化的需要。这样就可以在处理第一个滑动窗口时和处理之后的窗口一样，// 剪掉滑出窗口的第一列的数据 (-wsz2 - 1)，加上新一列的数据 (wsz2)。for( x = -wsz2-1; x < wsz2; x++ ){// 统一先往上减去半个窗口乘以ndisp的距离。hsad = hsad0 - dy0*ndisp; // 结合下面的循环代码和内存示意图，hsad是累加的，每次回退dy0就好。cbuf = cbuf0 + (x + wsz2 + 1)*cstep - dy0*ndisp; // 而cbuf, lptr, rptr 需要根据当前在不同x列的需要，移动指针指向当前所处理的列。// lptr, rptr 相当于 Mat.at[][x]lptr = lptr0 + std::min(std::max(x, -lofs), width-lofs-1) - dy0*sstep; // 前面的min, max 是为了防止内存越界而进行的判断。rptr = rptr0 + std::min(std::max(x, -rofs), width-rofs-ndisp) - dy0*sstep;// 从SAD窗口的第一个像素开始。// 循环都是以当前列为主，先处理当前列不同行的像素。for( y = -dy0; y < height + dy1; y++, hsad += ndisp, cbuf += ndisp, lptr += sstep, rptr += sstep ){int lval = lptr[0];d = 0;// 计算不同视差d 的SAD。也就是指定滑动范围内SAD值for( ; d < ndisp; d++ ){int diff = std::abs(lval - rptr[d]); // SAD.cbuf[d] = (uchar)diff; // 存储该列所有行各个像素在所有视差下的sad，所以cbuf的大小为wsz * cstep.hsad[d] = (int)(hsad[d] + diff); // 累加同一行内，[-wsz2 - 1, wsz2) 像素，不同d下的SAD（预先进行一点cost aggregation）。}// 累计得到视察范围内的纹理值，判断像素值和阈值的大小htext[y] += tab[lval]; // 利用之前的映射表，统计一行内，窗口大小宽度，左图像素的纹理度。// 注意到y是从-dy0开始的，而前面buf分配指针位置、hsad0和htext初始化为0的时候已经考虑到这一点了，// 特别是分配各个指针指向的内存大小的时候，分别都分配了下一个指针变量要往上减去的对应的内存大小。// 读者可以自己回去看alighPtr语句部分和memset部分。}}// initialize the left and right borders of the disparity map// 初始化图像左右边界的视差值for( y = 0; y < height; y++ ){for( x = 0; x < lofs; x++ )dptr[y*dstep + x] = FILTERED;for( x = lofs + width1; x < width; x++ )dptr[y*dstep + x] = FILTERED;}// 移动视差图像位置dptr += lofs; // 然后就可以跳过初始化的部分了。// 进入主循环，滑动窗口法进行匹配。注意到该循环很大，包含了很多内循环。// cost 是干什么的？for( x = 0; x < width1; x++, dptr++ ){int* costptr = cost.data ? cost.ptr<int>() + lofs + x : &costbuf;int x0 = x - wsz2 - 1, x1 = x + wsz2; // 窗口的首尾x坐标。// 同上，所有指针从窗口的第一行开始，即-dy0行。// 由于之前已经初始化计算过了，x从0开始循环。// cbuf_sub 从cbuf0 的第0行开始，cbuf在cbuf0的最后一行；下一次循环是cbuf_sub在第1行，cbuf在第0行，以此类推，存储了窗口宽度内，每一列的SAD.const uchar* cbuf_sub = cbuf0 + ((x0 + wsz2 + 1) % (wsz + 1))*cstep - dy0*ndisp;cbuf = cbuf0 + ((x1 + wsz2 + 1) % (wsz + 1))*cstep - dy0*ndisp;hsad = hsad0 - dy0*ndisp;// 这里了同样地，lptr_sub 从上一个窗口的最后一列开始，即x - wsz2 - 1，lptr从当前窗口的最后一列开始，即x + wsz2.lptr_sub = lptr0 + MIN(MAX(x0, -lofs), width-1-lofs) - dy0*sstep;lptr = lptr0 + MIN(MAX(x1, -lofs), width-1-lofs) - dy0*sstep;rptr = rptr0 + MIN(MAX(x1, -rofs), width-ndisp-rofs) - dy0*sstep;// 只算x1列，y 从-dy0到height + dy1 的SAD，将之更新到对应的变量中。for( y = -dy0; y < height + dy1; y++, cbuf += ndisp, cbuf_sub += ndisp, hsad += ndisp, lptr += sstep, lptr_sub += sstep, rptr += sstep ){int lval = lptr[0];d = 0;// 为什么要引入视差范围for( ; d < ndisp; d++ ){int diff = std::abs(lval - rptr[d]); // 当前列的SAD.cbuf[d] = (uchar)diff;hsad[d] = hsad[d] + diff - cbuf_sub[d]; // 累加新一列各个像素不同d下的SAD，减去滑出窗口的那一列对应的SAD.}htext[y] += tab[lval] - tab[lptr_sub[0]]; // 同上，利用之前的映射表，统计一行内，窗口大小宽度，左图像素的纹理度。}// fill borders// 这是什么意思，设置为常量？for( y = dy1; y <= wsz2; y++ )htext[height+y] = htext[height+dy1-1];for( y = -wsz2-1; y < -dy0; y++ )htext[y] = htext[-dy0];// initialize sums// 将hsad0存储的第-dy0列的数据乘以2拷贝给sad.// sad终于有操作了，for( d = 0; d < ndisp; d++ )sad[d] = (int)(hsad0[d-ndisp*dy0]*(wsz2 + 2 - dy0));// 将hsad指向hsad0的第1-dy0行，循环也从1-dy0行开始，并且只处理窗口大小内的数据（到wsz2 - 1为止）。// 不处理wsz2行和之前不处理wsz2列的原因是一样的。hsad = hsad0 + (1 - dy0)*ndisp;for( y = 1 - dy0; y < wsz2; y++, hsad += ndisp ){d = 0;// cost aggregation 步骤// 累加不同行、一个滑动窗口内各个像素取相同d 时的SAD。for( ; d < ndisp; d++ )sad[d] = (int)(sad[d] + hsad[d]);}// 循环累加一个滑动窗口内的纹理值。int tsum = 0;for( y = -wsz2-1; y < wsz2; y++ )tsum += htext[y];// finally, start the real processing// 虽然官方注释说现在才开始真正的处理，但之前已经做了大量的处理工作了。// minsad,sda 最小值；mind，最小视差值；for( y = 0; y < height; y++ ){int minsad = INT_MAX, mind = -1;hsad = hsad0 + MIN(y + wsz2, height+dy1-1)*ndisp; // 当前窗口的最后一行。hsad_sub = hsad0 + MAX(y - wsz2 - 1, -dy0)*ndisp; // 上个窗口的最后一行。d = 0;// 寻找最优视差。for( ; d < ndisp; d++ ) {int currsad = sad[d] + hsad[d] - hsad_sub[d]; // 同上，加上最后一行的SAD，减去滑出那一行的SAD.// 之前给sad赋值时为何要乘以2也就清楚了。一样是为了使处理第一个窗口的SAD之和时和之后的窗口相同，// 可以剪掉第一行的SAD，加上新一行的SAD。所以必须乘以2防止计算第一个窗口是漏算了第一行。sad[d] = currsad; // 更新当前d下的SAD之和，方便下次计算使用。if( currsad < minsad ){// 得到视差最小值和最小视差位置minsad = currsad;mind = d;}}tsum += htext[y + wsz2] - htext[y - wsz2 - 1]; // 同样需要更新纹理值。// 如果一个像素附近的纹理太弱，则视差计算认为无效。if( tsum < textureThreshold ){dptr[y*dstep] = FILTERED;continue;}// 唯一性匹配。// 对于前面找到的最优视差mind，及其SAD minsad，自适应阈值为minsad * (1 + uniquenessRatio).// 要求除了mind 前后一个视差之外，其余的视差的SAD都必须比阈值大，否则认为找到的视差无效。// continue语句只结束本次循环，而不终止整个循环的执行。而break语句则是结束整个循环过程，不再判断执行循环的条件是否成立if( uniquenessRatio > 0 ){int thresh = minsad + (minsad * uniquenessRatio/100);// 这句话的作用是什么？ 得到d，有效的话，d 应该等于 ndispfor( d = 0; d < ndisp; d++ ){// break 结束当前 for，foreach，while，do-while 或者 switch 结构的执行。if( (d < mind-1 || d > mind+1) && sad[d] <= thresh)break;}// 如果，d小于ndisp,表示 uniquenessRatioif( d < ndisp ){// 结束本次循环,即跳过循环体下面尚未执行的语句,接着进行下一次是否执行循环的判断.dptr[y*dstep] = FILTERED;continue;}}// 如果，d < ndisp,dptr[]标注为失败，否则，{// 最后，经过层层校验，终于确定了当前像素的视差。// 回顾之前sad指针在确定其指针位置和指向的大小时，前后都留了一个位置，在这里用到了。sad[-1] = sad[1];sad[ndisp] = sad[ndisp-2];// 视差优化// 这里留两个位置的作用就很明显了：防止mind为0或ndis-1时下面的语句数组越界。// p是sad最小值的后一个位置，n是前一个位置，这里的d为 p+n-2d+(p-n),判断d是否为0，如果，为0是对称的，不为零，加一个线性偏移量int p = sad[mind+1], n = sad[mind-1];d = p + n - 2*sad[mind] + std::abs(p - n);//  注意到前面将dptr的位置加上了lofs位，所以这里下标为y * dstep。dptr[y*dstep] = (mType)(((ndisp - mind - 1 + mindisp)*256 + (d != 0 ? (p-n)*256/d : 0) + 15) // 这里如果读者留心，会发现之前计算视差d时，计算结果是反过来的。// 即d=0时，理论上右图像素应该是和左图像素相同的x坐标，// 但其实之前在设置rptr是，此时右图像素的x坐标为x-(ndisp-1)，// 因此这里所算的视差要反转过来，为ndisp-mind-1。// 常数15是因为opencv默认输出类型为16位整数，后面为了获得真正的视差要除以16，// 这里加的一个针对整数类型除法截断的一个保护。// 至于为何多了一个(p-n)/d，我也不太懂，应该是针对所计算的SAD的变化率的一个补偿，希望有人可以指点下:)>> (DISPARITY_SHIFT_32S - disp_shift));costptr[y*coststep] = sad[mind]; // 最后opencv默认得到的视差值需要乘以16，所以前面乘以256，后面在右移4位。}} // y }// x
}

OpenCV在内存使用和预处理上还是花了一些心思的。理解了它的源代码，再其基础之上，也可以来实现一下其他算法，如将SAD改为NCC、实现MBM算法或Adaptive support-weight的BM算法等。
下图为代码中一些变量的含义：

图中定义了，wsz窗口大小，hsad视差范围的列起始指针，hsad0,有效起始行的起始地址，cbuf，wsz窗口的起始指针，cbuf0定义了WSZ对应列的指针位置。ndisp视差范围，hsad就是指向一个ndisp缓存的起始位置。涉及到一些边缘处理，包括x方向-wsz到wsz,y方向-dy0到hight+dy0.

最后，通过OpenCV实现立体匹配过程，也总结出立体匹配的关键步骤：

匹配代价计算
代价聚合
视差计算
视差优化

到此，就结束了，下节我们接着讲OpenCV是如何实现SGBM算法。

参考文章：https://zhuanlan.zhihu.com/p/50801189

参考文章：https://blog.csdn.net/rs_lys/article/details/83302323

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