ステレオマッチング

【概要】

ステレオマッチングとは，視点の異なる２枚のステレオ画像の対応点のずれ（視差）から，被写体までの奥行きを求める手法である。

キーワード： Depth Map（距離を画素の濃淡で示した画像）

【目次】

前準備

Python 3.12 のインストール

Pythonのインストールを行い、Pythonのプログラムを実行する環境を整える。扱う環境は、Windows搭載パソコンである。金子研究室では、Python 3.12.10を推奨する。

[Windows での Python 3.12 のインストール手順を見るには、ここをクリック]

Windows での Python 3.12 のインストール

以下のいずれかの方法でPython 3.12をインストールする。Pythonがインストール済みの場合、この手順は不要である。

方法 1：winget によるインストール

【インストールコマンドの実行方法】

管理者権限でコマンドプロンプトを起動する（手順：Windowsキーまたはスタートメニュー → cmd と入力 → 右クリック → 「管理者として実行」）。そして、コマンド全体をコマンドプロンプトにコピー＆ペーストする。

--scope machine を指定することで、システム全体（全ユーザー向け）にインストールされる。このオプションの実行には管理者権限が必要である。インストール完了後、コマンドプロンプトを再起動するとPATHが反映される。

REM Python 3.12 をシステム領域にインストール
winget install --id Python.Python.3.12 -e --scope machine --silent --accept-source-agreements --accept-package-agreements --override "/quiet InstallAllUsers=1 PrependPath=1 Include_test=0 Include_pip=1 Include_launcher=1 InstallLauncherAllUsers=1 TargetDir=\"C:\Program Files\Python312\""

REM Python と Scripts を PATH 先頭に追加
powershell -NoProfile -Command "$p='C:\Program Files\Python312'; $s=\"$p\Scripts\"; $c=[Environment]::GetEnvironmentVariable('Path','Machine'); if((Test-Path $p) -and (';'+$c+';' -notlike \"*;$p;*\") -and (';'+$c+';' -notlike \"*;$s;*\")){[Environment]::SetEnvironmentVariable('Path',\"$p;$s;$c\",'Machine')}"

方法 2：インストーラーによるインストール

  1. Python公式サイト（https://www.python.org/downloads/）にアクセスし、「Download Python 3.x.x」ボタンからWindows用インストーラーをダウンロードする。
  2. ダウンロードしたインストーラーを実行する。
  3. 初期画面の下部に表示される「Add python.exe to PATH」にチェックを入れてから「Customize installation」を選択する。このチェックを入れ忘れると、コマンドプロンプトから python コマンドを実行できない。
  4. 「Install Python 3.xx for all users」にチェックを入れ、「Install」をクリックする。

インストールの確認

コマンドプロンプトで以下を実行する。

python --version

バージョン番号（例：Python 3.12.x）が表示されればインストール成功である。「'python' は、内部コマンドまたは外部コマンドとして認識されていません。」と表示される場合は、インストールが正常に完了していない。

Python の開発環境 Visual Studio Code のインストールと Python 用の設定

Python の開発環境Visual Studio Code（プログラムを編集するソフトウェア。以下、VS Code）を整える。

[Windows での Visual Studio Code のインストールと Python 用の設定手順を見るには、ここをクリック]

Windows での Visual Studio Code のインストールと Python 用の設定手順

1. VS Code と拡張機能のインストール

以下のコマンドにより，既存の VS Code を削除し，全ユーザー共有の設定で再インストールしたうえで，拡張機能（VS Code に機能を追加するソフトウェア）をまとめて導入する．

【インストールコマンドの実行方法】

管理者権限でコマンドプロンプトを起動する（手順：Windows キーまたはスタートメニュー → cmd と入力 → 右クリック → 「管理者として実行」）。そして，コマンド全体をコマンドプロンプトにコピー＆ペーストする。

インストールコマンド


REM ============================================================
REM Microsoft Visual Studio Code
REM ============================================================
winget uninstall -e --id Microsoft.VisualStudioCode --silent --disable-interactivity --accept-source-agreements
rmdir /s /q C:\ProgramData\vscode-extensions 2>nul
rmdir /s /q "%APPDATA%\Code" 2>nul
rmdir /s /q "%USERPROFILE%\.vscode" 2>nul
rmdir /s /q "%LOCALAPPDATA%\Microsoft\vscode-update" 2>nul

REM VS Code をシステム領域に新規インストール
winget install --scope machine --id Microsoft.VisualStudioCode -e --silent --accept-source-agreements --accept-package-agreements

REM 全ユーザー共有の拡張機能フォルダ
mkdir C:\ProgramData\vscode-extensions 2>nul
icacls "C:\ProgramData\vscode-extensions" /grant "Everyone:(OI)(CI)M" /T

REM スタートメニューのショートカットを --extensions-dir 付きで再作成
rmdir /s /q "C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code" 2>nul
del "C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code.lnk" 2>nul
powershell -NoProfile -Command "$s=New-Object -ComObject WScript.Shell; $lnk=$s.CreateShortcut('C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code.lnk'); $lnk.TargetPath='C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe'; $lnk.Arguments='--extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\"'; $lnk.Save()"
REM ショートカットの検証
powershell -NoProfile -Command "$s=New-Object -ComObject WScript.Shell; $lnk=$s.CreateShortcut('C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code.lnk'); Write-Host 'TargetPath:' $lnk.TargetPath; Write-Host 'Arguments:' $lnk.Arguments"

REM ファイル / フォルダ右クリックの「Code で開く」を登録
reg add "HKLM\SOFTWARE\Classes\*\shell\VSCode\command" /ve /d "\"C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe\" --extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\" \"%1\"" /f
reg add "HKLM\SOFTWARE\Classes\Directory\shell\VSCode\command" /ve /d "\"C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe\" --extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\" \"%1\"" /f
reg add "HKLM\SOFTWARE\Classes\Directory\Background\shell\VSCode\command" /ve /d "\"C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe\" --extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\" \"%V\"" /f

REM --extensions-dir 付きで起動する code.cmd ラッパを作成
REM （%* を echo で書くと対話的 cmd で失われるため、PowerShell で [char]37+'*' を書き出す）
powershell -NoProfile -Command "$pct=[char]37; $q=[char]34; $c='@echo off'+[char]13+[char]10+$q+'C:\Program Files\Microsoft VS Code\bin\code.cmd'+$q+' --extensions-dir '+$q+'C:\ProgramData\vscode-extensions'+$q+' '+$pct+'*'+[char]13+[char]10; [IO.File]::WriteAllText('C:\ProgramData\vscode-extensions\vscode.cmd',$c,[Text.Encoding]::ASCII)"

REM 拡張機能のインストール
set "CODE=C:\Program Files\Microsoft VS Code\bin\code.cmd"
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --uninstall-extension GitHub.copilot
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --uninstall-extension GitHub.copilot-chat
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension ms-python.python
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension ms-python.vscode-pylance
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension ms-python.debugpy
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension MS-CEINTL.vscode-language-pack-ja
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension saoudrizwan.claude-dev
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension rust-lang.rust-analyzer
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension tamasfe.even-better-toml
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension anthropic.claude-code
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension almenon.arepl
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --list-extensions --show-versions
echo === セットアップ完了 ===

2. Python インタプリタの選択

同一マシンに複数の Python がインストールされている場合，VS Code で使用する Python 本体（インタプリタ：Python プログラムを解釈・実行するソフトウェア）を選択する必要がある．

  1. コマンドパレット（コマンド名で機能を呼び出す VS Code の入力欄）を開く（Ctrl+Shift+P）
  2. Python: Select Interpreter と入力する
  3. 表示される一覧から，使用する Python（例：C:\Program Files\Python312\python.exe）を選択する．

前準備として，ステレオ画像を準備

  1. 次のWebページを使う（感謝）

    https://vision.middlebury.edu/stereo/data/scenes2014/

  2. Playtableの右横の「Perf」をクリック
  3. 2つの画像ファイル im0.png と im1.png を分かりやすいディレクトリに保存する．

    * 以下「D:\」 (D: の直下) に保存したものとして説明を続ける．

  4. ダウンロードした 2つの画像ファイルを確認
  5. Python プログラムの実行
  6. 2つの画像の横方向の連結

    横方向に連結して，１つのオブジェクト gを作っている． 

    import cv2
im0 = cv2.imread("D:/im0.png")
im1 = cv2.imread("D:/im1.png")
g = cv2.hconcat([im0, im1])
cv2.imshow("hoge", g)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()
  7. 巨大な画面が表示されるので確認．（別のウインドウの陰になっているかもしれないので探す）．

    このあと，右上の「x」をクリックしない．画面の中をクリックしてから，何かのキーを押して閉じる

  8. 2つの画像の横方向の連結と画像の縮小

    resize で縮小している．

    「Python」で次を実行． 

    import cv2
im0 = cv2.imread("D:/im0.png")
im1 = cv2.imread("D:/im1.png")
g = cv2.hconcat([im0, im1])
h, w = g.shape[:2]
g2 = cv2.resize(g, (int(w/8), int(h/8)))
cv2.imshow("hoge3", g2)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()
  9. 画面が表示されるので確認．（別のウインドウの陰になっているかもしれないので探す）．

    このあと，右上の「x」をクリックしない．画面の中をクリックしてから，何かのキーを押して閉じる

  10. ２つのカラー画像の差（RGB成分の差）の絶対値と画像の縮小

    「Python」で次を実行． 

    import cv2
im0 = cv2.imread("D:/im0.png")
im1 = cv2.imread("D:/im1.png")
g = abs(im0 - im1)
h, w = g.shape[:2]
g2 = cv2.resize(g, (int(w/8), int(h/8)))
cv2.imshow("hoge4", g2)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()
  11. 画面が表示されるので確認．（別のウインドウの陰になっているかもしれないので探す）．

    ２つのカラー画像の差の絶対値なので，結果もカラー画像

    こうして表示してみると，確かに，画像がずれていることが確認できる．

    このあと，右上の「x」をクリックしない．画面の中をクリックしてから，何かのキーを押して閉じる

    Depth Map

    「Depth Map」とは 距離を画素の濃淡で示したもの．以下の実習では

    • 近いものは白
    • 遠いものは黒

    で表示する．

    ブロックマッチング (Block Matching) 法による DepthMap の生成

    「Python」で次を実行． 

    import cv2
import numpy as np
im0 = cv2.imread("D:/im0.png")
im1 = cv2.imread("D:/im1.png")
mono0 = cv2.cvtColor(im0, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
mono1 = cv2.cvtColor(im1, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
stereo = cv2.StereoBM_create(numDisparities=256, blockSize=15)
disparity = stereo.compute(mono0, mono1)
map = ( disparity - np.min(disparity) ) / ( np.max(disparity) - np.min(disparity) )
h, w = map.shape[:2]
g2 = cv2.resize(map, (int(w/4), int(h/4)))
cv2.imshow("hoge5", g2)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()
  12. 画面が表示されるので確認．（別のウインドウの陰になっているかもしれないので探す）．

    結果をみると，あまり，うまくいっていない．

    このあと，右上の「x」をクリックしない．画面の中をクリックしてから，何かのキーを押して閉じる

    セミグローバルブロックマッチング (Semi Global Block Matching) 法による DepthMap の生成

    「Python」で次を実行． 

    import cv2
import numpy as np
im0 = cv2.imread("D:/im0.png")
im1 = cv2.imread("D:/im1.png")
mono0 = cv2.cvtColor(im0, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
mono1 = cv2.cvtColor(im1, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
stereo = cv2.StereoSGBM_create(minDisparity = 10, numDisparities=256, blockSize=22)
disparity = stereo.compute(mono0, mono1)
map = ( disparity - np.min(disparity) ) / ( np.max(disparity) - np.min(disparity) )
h, w = map.shape[:2]
g2 = cv2.resize(map, (int(w/4), int(h/4)))
cv2.imshow("hoge9", g2)
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()
  13. 画面が表示されるので確認．（別のウインドウの陰になっているかもしれないので探す）．

    結果をみると，あまり，うまくいっていない．

    このあと，右上の「x」をクリックしない．画面の中をクリックしてから，何かのキーを押して閉じる

youtube で配布されている side by side 形式動画ファイル

  1. 次のWebページを開く

    http://www.dreamscene.org/s3dvideo.php?Cmd=Show&site=all

  2. Voyager_3d_sbs.wmv をダウンロード
  3. 1/4倍に縮小＋再生

    「Python」で次を実行．

    OpenCV による動画表示を行う． 

    import cv2
v = cv2.VideoCapture("D:/Voyager_3D_sbs.wmv")
while(v.isOpened()):
    r, f = v.read()
    if ( r == False ):
        break
    h, w = f.shape[:2]
    g2 = cv2.resize(f, (int(w/4), int(h/4)))
    cv2.imshow("", g2)
    # Press Q to exit
    if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
        break

v.release()
cv2.destroyAllWindows()
  4. 結果を確認する

    途中で止めたいとき，右上の「x」をクリックしない．画面の中をクリックしてから，「q」のキーを押して閉じる

  5. セミグローバルブロックマッチング (Semi Global Block Matching) 法による DepthMap の生成

    「Python」で次を実行． 

    import cv2
import numpy as np
v = cv2.VideoCapture("D:/Voyager_3D_sbs.wmv")
while(v.isOpened()):
    r, f = v.read()
    if ( r == False ):
        break
    h, w = f.shape[:2]
    im0 = f[0:h, 0:int(w/2), 0:3]
    im1 = f[0:h, int(w/2):w, 0:3]
    mono0 = cv2.cvtColor(im0, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
    mono1 = cv2.cvtColor(im1, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
    stereo = cv2.StereoSGBM_create(minDisparity = 5, numDisparities=16, blockSize=10)
    disparity = stereo.compute(mono0, mono1)
    map = ( disparity - np.min(disparity) ) / ( np.max(disparity) - np.min(disparity) )
    h, w = map.shape[:2]
    g2 = cv2.resize(map, (int(w/4), int(h/4)))
    cv2.imshow("", g2)
    # Press Q to exit
    if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
        break

v.release()
cv2.destroyAllWindows()
  6. 結果を確認する

    途中で止めたいとき，右上の「x」をクリックしない．画面の中をクリックしてから，「q」のキーを押して閉じる