深度图（Depth Map）

文章目录

深度图
深度图是什么
深度图的获取方式
- 激光雷达或结构光等传感器的方法
- - 激光雷达
  - RGB-D相机
- 双目或多目相机的视差信息计算深度
- 采用深度学习模型估计深度
深度图的应用场景
扩展阅读

深度图

深度图是什么

深度图（depth map）是一种灰度图像，其中每个像素点距离相机的距离信息。它是计算机视觉中常用的一种图像表示方式，用于描述场景的三维结构。

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用张图简单直白的表示就是，越红的地方，代表距离观察者（即屏幕）的距离越近。看到图片中的锥体，距离我们观察的位置举例会比较近，所以颜色的更红。而图中的面具，由于是倾斜摆放的，其底部距离我们会更近一点，所以其底部的颜色要比顶部的颜色更红一些。

深度图的获取方式

深度图的发展历史可以追溯到20世纪60年代。最初，深度图像是通过手工标注或利用先验知识推测出来的。随着计算机视觉技术的发展，深度图像的获取方法和算法也不断进步和完善。

深度图的获取方式有多种，常见的方法包括：

通过激光雷达或结构光等传感器获取深度信息，再将其转换为深度图像。
利用双目或多目相机的视差信息计算深度，再将其转换为深度图像。
利用先验知识或模型对图像进行分析，推测出每个像素点的深度信息。

激光雷达或结构光等传感器的方法

激光雷达或结构光等传感器获得的深度，可以得到绝对深度，因为他们的数据是测出来的，根据TOF计算得到的真实距离。所以在连续的图片序列中，由于深度是绝对的，他们具有一样的参考价值。

激光雷达

这种方法也被叫做TOF方法（Time Of Fly）即通过激光/雷达波发出和收到的时间差，结合光速，计算信号在这段时间所走过的路程，所以也就能获得不同物体距离激光发射点的距离了。

RGB-D相机

另外，除了雷达之外激光雷达相机也可以实现类似的效果，也可以利用激光雷达和结构光的配合，获得更加精准的深度数值

双目或多目相机的视差信息计算深度

我们可以模拟人眼的工作方式，使用两个摄像机，这种方法被称为立体视觉。

在下图中，p是空间一点，z是其深度，Ol和Or是左右两个相机，对应上述的O和O’。f是相机焦距。

根据相似三角形的公式：

相机的焦距，两相机的距离都是已知的，这样我们可以轻松地知道一个点的深度与x和x’的查成反比，从而得到图中所有点的深度图。

OpenCV也提供了相关的计算函数：

这样我们就能够大致计算出图中的深度了：

可能你会想问，上面的深度图片都是彩色的，为什么这张变成和黑白的，但实际上
这才是深度图本来的样子
我们通过OpenCV的apploycolor map函数对灰度图进行了颜色的映射，让结果看起来更加的生动和fancy。

下面给一个示例来说明applyColorMap的作用：

def ColorMap_demo():
    img = cv.imread("lena.jpg",cv.IMREAD_GRAYSCALE)
    if img.shape[0]==0:
        print("load image fail!")
        return
    windowname="applyColorMap"
    cv.namedWindow(windowname,cv.WINDOW_AUTOSIZE)
    pos=0
    cv.createTrackbar("Type",windowname,pos,22,callback_trackbar)
    while True:
        pos = cv.getTrackbarPos("Type",windowname)
        imgdst = np.copy(img)
        if pos != 0 :
            imgdst = cv.applyColorMap(img,pos-1)
        cv.imshow(windowname,imgdst)
        if cv.waitKey(10) == 27:
            break
if __name__ == "__main__":
    ColorMap_demo()

通过双目或多目相机获得的深度，也是绝对的深度，因为其原理是通过固定位置相机的相似三角形计算距离的。所以在连续的图片序列中，由于深度是绝对的，他们具有一样的参考价值。

采用深度学习模型估计深度

典型的采用深度学习的方式来估计RGB图像的深度的方法如下所示：

从RGBD相机的输出结果中，获取深度分量，得到真实的深度图。
仅输入RGB图，让模型生成对应的深度估计图
对模型的深度估计图和实际的深度图求差，获取估计的误差
深度学习网络的优化目标即为减小估计深度与实际深度的误差
在经过大量的训练之后，就能获得一个可以根据RGB图估计深度图的网络了

这里主要是指用模型估计图片中的物体深度，这样的方式获得的结果，在一张图片中不同的像素点之间的相对深度差，但是在在连续的图片序列中，两帧之间的深度估计结果没有必然的联系。例如，假设上面的面具是一个视频序列，在第一帧面具左眼的深度为100，面具右眼的深度估计为110.第二帧中，面具的左眼的深度可能是1000，而右眼的深度可能为1010。

可以发现，两帧之间同一区域的深度，在采用深度学习模型估计的时候，其绝对值结果是没有参考价值的：例如同样都是左眼，在第一帧中的深度和第二帧的深度估计数值甚至不在一个量级。

但是一帧内的不同位置，其相对深度是具有参考性的：例如不论在哪一帧，左眼和右眼的深度差始终为10.

这也正是由于深度学习模型训练的时候的策略所导致的，单目预测深度基本都是这种的拟合回归，本身数学上就是一个病态问题，不可能从单张2D的图片恢复出三维的信息。因为本身就是缺少信息的。