双目立体视觉匹配算法-----SAD匹配算法、BM算法、SGBM算法、GC算法

一、 SAD算法

1.算法原理
SAD(Sum of absolute differences)是一种图像匹配算法。基本思想：差的绝对值之和。此算法常用于图像块匹配，将每个像素对应数值之差的绝对值求和，据此评估两个图像块的相似度。该算法快速、但并不精确，通常用于多级处理的初步筛选。
2.基本流程

输入：两幅图像，一幅Left-Image，一幅Right-Image

对左图，依次扫描，选定一个锚点：

（1）构造一个小窗口,类似于卷积核；
（2）用窗口覆盖左边的图像,选择出窗口覆盖区域内的所有像素点；
（3）同样用窗口覆盖右边的图像并选择出覆盖区域的像素点；
（4）左边覆盖区域减去右边覆盖区域，并求出所有像素点灰度差的绝对值之和；
（5）移动右边图像的窗口，重复（3）-（4）的处理（这里有个搜索范围,超过这个范围跳出）；
（6）找到这个范围内SAD值最小的窗口,即找到了左图锚点的最佳匹配的像素块。

参考代码：SAD.h

#include"iostream"
#include"opencv2/opencv.hpp"
#include"iomanip"
using namespace std;
using namespace cv;class SAD
{public:SAD():winSize(7),DSR(30){}SAD(int _winSize,int _DSR):winSize(_winSize),DSR(_DSR){}Mat computerSAD(Mat &L,Mat &R); //计算SADprivate:int winSize; //卷积核的尺寸int DSR;     //视差搜索范围};Mat SAD::computerSAD(Mat &L,Mat &R){int Height=L.rows;int Width=L.cols;Mat Kernel_L(Size(winSize,winSize),CV_8U,Scalar::all(0));Mat Kernel_R(Size(winSize,winSize),CV_8U,Scalar::all(0));Mat Disparity(Height,Width,CV_8U,Scalar(0)); //视差图for(int i=0;i<Width-winSize;i++)  //左图从DSR开始遍历{for(int j=0;j<Height-winSize;j++){Kernel_L=L(Rect(i,j,winSize,winSize));Mat MM(1,DSR,CV_32F,Scalar(0)); //for(int k=0;k<DSR;k++){int x=i-k;if(x>=0){Kernel_R=R(Rect(x,j,winSize,winSize));Mat Dif;absdiff(Kernel_L, Kernel_R, Dif);//Scalar ADD=sum(Dif);float a=ADD[0];MM.at<float>(k)=a;}}Point minLoc;minMaxLoc(MM, NULL, NULL,&minLoc,NULL);int loc=minLoc.x;//int loc=DSR-loc;Disparity.at<char>(j,i)=loc*16;}double rate=double(i)/(Width);cout<<"已完成"<<setprecision(2)<<rate*100<<"%"<<endl; //处理进度}return Disparity;}

// MySAD.cpp : 定义控制台应用程序的入口点。
//
#include "stdafx.h"
#include"SAD.h"
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{Mat Img_L=imread("imL.png",0);Mat Img_R=imread("imR.png",0);Mat Disparity;    //视差图//SAD mySAD;SAD mySAD(7,30);Disparity=mySAD.computerSAD(Img_L,Img_R);imshow("Img_L",Img_L);imshow("Img_R",Img_R);imshow("Disparity",Disparity);waitKey();return 0;
}

二、BM算法：速度很快，效果一般

SGBM算法 Stereo Processing by Semiglobal Matching and Mutual Information

GC算法算法文献：Realistic CG Stereo Image Dataset with Ground Truth Disparity Maps

参考：http://blog.csdn.net/wqvbjhc/article/details/6260844

[cpp] view plain copy

<code class="language-cpp">void BM()
{
　　IplImage * img1 = cvLoadImage("left.png",0);
IplImage * img2 = cvLoadImage("right.png",0);
CvStereoBMState* BMState=cvCreateStereoBMState();
assert(BMState);
BMState->preFilterSize=9;
BMState->preFilterCap=31;
BMState->SADWindowSize=15;
BMState->minDisparity=0;
BMState->numberOfDisparities=64;
BMState->textureThreshold=10;
BMState->uniquenessRatio=15;
BMState->speckleWindowSize=100;
BMState->speckleRange=32;
BMState->disp12MaxDiff=1;
CvMat* disp=cvCreateMat(img1->height,img1->width,CV_16S);
CvMat* vdisp=cvCreateMat(img1->height,img1->width,CV_8U);
int64 t=getTickCount();
cvFindStereoCorrespondenceBM(img1,img2,disp,BMState);
t=getTickCount()-t;
cout<<"Time elapsed:"<<t*1000/getTickFrequency()<<endl;
cvSave("disp.xml",disp);
cvNormalize(disp,vdisp,0,255,CV_MINMAX);
cvNamedWindow("BM_disparity",0);
cvShowImage("BM_disparity",vdisp);
cvWaitKey(0);
//cvSaveImage("cones\\BM_disparity.png",vdisp);
cvReleaseMat(&disp);
cvReleaseMat(&vdisp);
cvDestroyWindow("BM_disparity");
}</code>

三、SGBM算法

作为一种全局匹配算法，立体匹配的效果明显好于局部匹配算法，但是同时复杂度上也要远远大于局部匹配算法。算法主要是参考Stereo Processing by Semiglobal Matching and Mutual Information。

opencv中实现的SGBM算法计算匹配代价没有按照原始论文的互信息作为代价，而是按照块匹配的代价。

参考：http://www.opencv.org.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=23854

#include <highgui.h>
#include <cv.h>
#include <cxcore.h>
#include <iostream>
using namespace std;
using namespace cv;
int main()
{IplImage * img1 = cvLoadImage("left.png",0);IplImage * img2 = cvLoadImage("right.png",0);cv::StereoSGBM sgbm;int SADWindowSize = 9;sgbm.preFilterCap = 63;sgbm.SADWindowSize = SADWindowSize > 0 ? SADWindowSize : 3;int cn = img1->nChannels;int numberOfDisparities=64;sgbm.P1 = 8*cn*sgbm.SADWindowSize*sgbm.SADWindowSize;sgbm.P2 = 32*cn*sgbm.SADWindowSize*sgbm.SADWindowSize;sgbm.minDisparity = 0;sgbm.numberOfDisparities = numberOfDisparities;sgbm.uniquenessRatio = 10;sgbm.speckleWindowSize = 100;sgbm.speckleRange = 32;sgbm.disp12MaxDiff = 1;Mat disp, disp8;int64 t = getTickCount();sgbm((Mat)img1, (Mat)img2, disp);t = getTickCount() - t;cout<<"Time elapsed:"<<t*1000/getTickFrequency()<<endl;disp.convertTo(disp8, CV_8U, 255/(numberOfDisparities*16.));namedWindow("left", 1);cvShowImage("left", img1);namedWindow("right", 1);cvShowImage("right", img2);namedWindow("disparity", 1);imshow("disparity", disp8);waitKey();imwrite("sgbm_disparity.png", disp8);   cvDestroyAllWindows();return 0;
}

四、GC算法效果最好，速度最慢

void GC()
{IplImage * img1 = cvLoadImage("left.png",0);IplImage * img2 = cvLoadImage("right.png",0);CvStereoGCState* GCState=cvCreateStereoGCState(64,3);assert(GCState);cout<<"start matching using GC"<<endl;CvMat* gcdispleft=cvCreateMat(img1->height,img1->width,CV_16S);CvMat* gcdispright=cvCreateMat(img2->height,img2->width,CV_16S);CvMat* gcvdisp=cvCreateMat(img1->height,img1->width,CV_8U);int64 t=getTickCount();cvFindStereoCorrespondenceGC(img1,img2,gcdispleft,gcdispright,GCState);t=getTickCount()-t;cout<<"Time elapsed:"<<t*1000/getTickFrequency()<<endl;//cvNormalize(gcdispleft,gcvdisp,0,255,CV_MINMAX);//cvSaveImage("GC_left_disparity.png",gcvdisp);cvNormalize(gcdispright,gcvdisp,0,255,CV_MINMAX);cvSaveImage("GC_right_disparity.png",gcvdisp);cvNamedWindow("GC_disparity",0);cvShowImage("GC_disparity",gcvdisp);cvWaitKey(0);cvReleaseMat(&gcdispleft);cvReleaseMat(&gcdispright);cvReleaseMat(&gcvdisp);
}

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