一. 概述
上一篇文章介紹了 ”單目 vs 雙目視覺的前車偵測優劣解析“ ，雙目立體視覺的優劣勢也適用於任何的新應用中，比如說空拍機或是掃地機器人等等。
接下來，將帶領各位進一步認識視差為何 ? 為何雙目立體視覺可以模擬人眼 ? 此次介紹章節為 “視差原理機密大公開析” 屬於雙目立體視覺篇章，時不宜遲 ! 趕快一同探討視差原理的奧妙吧 !
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雙目立體視覺技術指南 (前車偵測) - 文章架構示意圖
雙目立體視覺是由測距與視差兩大原理所構成。如下圖所示，其中裡面結合運用很多光學成像原理，我們可以藉由攝像頭內部的焦距與兩顆鏡頭所產生的視差，並推導出鏡頭與影像呈現的關係，即可算出實際距離。
光學成像示意圖
下列小節會將介紹將依序介紹 “視差” 與 “測距” 原理。
二. 測距原理
測距原理是基於光學針孔原理與視差原理所構成，如下圖所示，首先假想兩顆鏡頭皆能觀察到同一個物體的狀況下，即可形成示意圖上的 三角形A 的平面。而三角形的底部即代表兩顆鏡頭之間的距離，這裡定義為 q ，此外三角形的高度即為鏡頭與物體的距離，定義為 z。
測距原理示意圖(1)
鏡頭與物體之間的距離即為需找出的部分，因此需要透過光學成像原理來輔助我們推導出此關係。由針孔原理關係可得知，鏡頭內部空間的焦距與成像的像素位置，來揣摩出另一個 三角形B 的平面。如下圖所示， 三角形B 的底部為同一個物體於兩顆鏡頭所呈現的視差，定義為 d，即為在像素上的差距 (視差)， 三角形B 的高度部分則是代表鏡頭的焦距，定義為 f 。
測距原理示意圖(2)
已知的參數值有焦距 f 、視差距離 d、兩顆鏡頭之間的距離 q 這三個參數。
此原理需要維持兩個 三角形 A 與 B 的比例，也就是說
將等式換位，即可求得 鏡頭與物體之間的距離Z
三. 視差原理
視差原理概念是來至於人眼的構造。這裡有個小實驗可以幫助加快理解視差的特性，請你的大拇指貼至鼻尖約 3 公分距離，以一隻眼睛注視著大拇指，並任意交換左右眼睛，即可發現拇指位移的很大。若是將手伸長至遠處，再次利用此方法將會發現，拇指的位移變小了。有點類似著名的拇指測距法，如下圖所示，請以拇指感受視差的特性。
視差實驗示意圖
圖文出處 : https://liuyunantw.pixnet.net/blog/post/380380427
這就是視差的特性。而此小節則是把這種視差的特性運用於電腦視覺中，所衍生出一種算法稱作 區塊比較 Block Match，簡稱 BM 。這個算法幫助我們模擬兩顆鏡頭所造成的視差，亦是後續主力算法之一，如下圖所示，我們需要取得左鏡頭與右鏡頭相對位置上的區塊資訊(Block) ，並比較這兩塊區塊的差異值作為視差d。
BM算法示意圖
依公式並配合上圖來說明
即可表示成左邊影像區塊為 Block A 、 右邊影像區塊為 Block B，將兩區塊內的矩陣數值作相減，並取絕對值。最後再累加其值，即為在電腦視覺中 ”視差” 的定義。
可想像若拍攝場景為背景時，兩邊區塊比較起來，所呈現的視差值應接近於 0，反之若是拍攝場景有物體時，兩邊區塊比較起來，因視差的特性，所呈現的視差值必有值，且…
「物體越近，視差影響越大，視差值亦越大，反之物體越遠，視差影響越小，視差值亦越小。」
因此利用這樣的特性，將視差值作正規化，即可顯示成圖像。
如下圖所示，左側為原始圖片，右側為視差圖，其中像素值有白色到深灰色的部分，即表示物體的遠近。白色則表示物體越近，越接近黑色則表示物體越遠。
*** 視差影像(視差圖) 亦可使用彩色的方式呈現，僅須自行建立色彩對應表。比如說紅色代表物體近、藍色代表物體遠 !!
視差構成結果之示意圖
相信各位對於測距與視差原理有一定的認識了。在此統整一下，測距原理是透視差的方式來量測距離(拇指測距法)，視差原理則是將視差轉換電腦視覺中描述的原理。在此說明了雙目立體視覺是如何測距 ? 如何模擬視差? 原理的奧妙 ! 下一章節 “解析 ！雙目視覺標定原理”，將說明雙目立體視覺的關鍵技術，與校正息息相關 ! 也是最重要的一環 ! !
四. 參考文件
[1] 每日頭條網站 - 雙目立體視覺技術的實現
[2] 每日頭條網站 - 雙目立體視覺測量系統應用
[3] 每日頭條網站 - ADAS單目/雙目/三目到底有什麼區別？
[4] 維基百科 - Block-matching algorithm
[5] 論文 - Performance Analysis between Basic Block Matching and Dynamic Programming of Stereo Matching Algorithm
[6] 教材 - Stereo Vision by Professor Fei-Fei Li
如有任何相關 雙目立體視覺(Stereo Vision) 技術問題，歡迎至博文底下留言提問 !!
接下來還會分享更多 雙目立體視覺(Stereo Vision) 的技術文章 !!敬請期待 【Sky Eye 開闊未來】 !!
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