# 双目测距技术路线

> 本文档把双目测距（立体目标测距）抽象为**与编程语言、硬件平台无关**的技术路线：
> 只讲几何模型、数据结构、算法流程与质量语义，不依赖任何语言特性、加速器
> 型号或操作系统。可作为任意语言（C++/Rust/Python 仿真/嵌入式 C）在任意
> 算力平台上重新实现或移植的规格说明。
>
> **文档分工**（各司其职，不重复抄录）：
>
> | 文档 | 定位 | 与本文的分工 |
> |------|------|--------------|
> | `docs/双目深度估计思路.md` | 平台工程路线 + 原稿对照 | **平台与工程细节权威**：采集/解码链路、加速器预算、线程与文件落点、原稿缺陷对照；本文一律不涉及 |
> | 本文 | **算法路线** | **算法与语义权威**：几何、取点、匹配、有效性、滤波、方位源、误差模型、职责与缺点 |
> | `docs/视觉跟踪控制律技术路线.md` | 距离/方位的消费者 | 其距离通道与方位源如何消费本文输出，见其 §1.2/§2/§6.4 |
> | `docs/双目测距方案讨论纪要.md` | 决策索引 | D2/D4/D5/S1~S3 等拍板结论的唯一索引，本文只落实、不重新讨论 |
>
> 三份技术路线若出现表述分歧：拍板结论以《双目测距方案讨论纪要》为准，
> 算法语义以本文为准，平台工程以《双目深度估计思路》为准。
>
> **参考实现**：`utils/stereo_ranger/`（Python，构件划分与本文逐条对应）。
> 实现时冻结的补充决策与发现的原文矛盾已回填本文（§4/§6.1/§6.2/§6.4/
> §6.7/§9/§11），两文档以本文为准。
>
> ⚠️ **全部数值均为占位值**：焦距/标定参数待厂商数据（P1/P2），各阈值未整定。
> 标定与地面真值验证完成前，本模块输出**仅限静态标靶/回放/台架验证，
> 不得作为飞行控制决策依据**（见 §12.3 红线）。

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## 目录

1. [概述与系统定位](#1-概述与系统定位)
2. [输入输出接口定义](#2-输入输出接口定义)
3. [坐标系与符号约定](#3-坐标系与符号约定)
4. [核心构件与状态清单](#4-核心构件与状态清单)
5. [单周期处理流程（主流程伪代码）](#5-单周期处理流程主流程伪代码)
6. [各环节算法细节](#6-各环节算法细节)
7. [误差模型与有效距离域](#7-误差模型与有效距离域)
8. [职责、边界与已知缺点](#8-职责边界与已知缺点)
9. [配置参数全量表](#9-配置参数全量表)
10. [设计取舍记录（为什么不是别的做法）](#10-设计取舍记录为什么不是别的做法)
11. [实现与重写指引](#11-实现与重写指引)
12. [验证路线与待定项](#12-验证路线与待定项)

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## 1. 概述与系统定位

### 1.1 模块职责

本模块是**目标距离与方位的机载唯一来源**（决策 D2：双目替代激光雷达，
与提交 b96111e 一致）。它对**同一时刻**左右两幅已立体校正图像上的目标
检测框做立体几何解算，输出**少量目标的**距离与方位（不是稠密深度图）。
职责四件事：

1. **匹配**：把左右两目的检测框按"同一物理目标"配对（硬约束筛选 +
   贪心代价排序）；
2. **测距**：同侧边缘视差 D → `Z = F·B / D` 前向距离（斜距 R 仅参考输出）；
3. **方位源**：输出**虚拟双目中心**像素 `c_mid`（两目框中心等权平均，
   消除单目近场视差偏差，§6.6）；
4. **质量语义**：输出有效性标志与置信度（有效域内 + 匹配成功 + 一致性
   正常），对距离做轻量时间滤波；域外/失配/异常时**明确输出无效**，
   不得强行估计。

### 1.2 在系统中的位置

```text
平台采集/解码/立体校正（平台相关，见《双目深度估计思路》第 3/8 章）
  → 校正后左/右图像（同帧）
  → 左/右目标检测（外部模块，输出原图坐标系的检测框）
  → 本模块：匹配 + 测距 + 方位源 + 有效性 + 滤波 → 目标距离记录
      ├─ 距离 Z（valid）──▶ 控制律距离通道（Δd → PID → 前向速度，域内闭环）
      ├─ 方位 c_mid ──────▶ 接入层填入控制律目标中心（虚拟中心相机像素）
      └─ valid / 置信度 ──▶ 接入层降级语义：
            域外/失配 → "无距离"策略（方位闭环 + 定速接近，D4）
            持续无距离 → exit 档降级（S1 门限，消费侧实现）
```

**上游**：同帧校正图像对与左右检测框（检测、采集、解码、校正均为外部
模块）；**下游**：跟踪控制律与接入层。"域外定速接近"的远场补偿策略
属消费侧行为，本文只负责提供诚实的有效性标志与持续的方位。

### 1.3 设计特点

| 特点 | 含义 | 带来的约束 |
|------|------|-----------|
| **稀疏输出** | 只算检测到的目标，不做逐像素匹配 | 无检测即无输出；距离精度受框质量制约（§8） |
| **纯值输入/输出** | 每帧传入同帧框对 + 参数，输出纯值记录列表 | 无隐藏输入、可离线回放 |
| **纯函数构件** | 取点、测距、域判定均为无状态纯函数 | 可独立单元测试（合成框对即可，无需真实图像） |
| **有状态部分极小** | 仅滤波器、一致性监控与目标隔离状态，且按目标隔离 | 重写时状态清单见 §11.1，漏一个就变行为 |
| **参数全外置** | 几何、阈值、滤波参数全部来自配置 | 代码内不得写死任何相机参数或阈值 |
| **诚实降级** | 域外/失配输出 `valid = false` 而非勉强给值 | 消费侧的远场策略建立在"不撒谎"的有效性上 |

### 1.4 明确不做的事（边界）

- **不做采集/解码/立体校正**：消费校正后的图像与框；校正与自标定属
  平台工程（v1.1 备选），不在本文范围；
- **不做稠密匹配**：不做 SGBM 类逐像素立体匹配，不输出深度图；
- **不做环境感知/避障**：环境深度由避障侧深度模型负责，与本模块并存
  互不替代；
- **不做目标跟踪**：不维护轨道与运动滤波；上游 track_id 只用作目标
  状态隔离键（§4），不参与匹配打分与连续性先验（后者留 v1.1）；
- **不做运动/IMU 补偿**：帧间运动引起的虚假视差靠帧同步契约与一致性
  监控兜底，不做解算级补偿；
- **不做多传感器融合**：双目是目标距离机载唯一来源（D2），无交叉校验
  基准；数据质量靠内部一致性监控自检（§6.7）；
- **不在域外强行估计**：超出有效距离域一律输出 `valid = false`。

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## 2. 输入输出接口定义

### 2.1 输入（每帧一次，由平台层供给）

| 分组 | 项 | 语义与约束 |
|------|----|-----------|
| 帧对 | 左帧、右帧 | 各含**帧标识**；两帧标识必须一致（同帧契约，见下） |
| 检测 | 检测框数组 ×2 | 每框含：类别、置信度、框（左上/右下角像素）；**已映射回校正图像坐标系** |
| 几何 | 基线 `B`、焦距 `F`、主点 `cx, cy` | 校正后内参（`fx = fy = F`）；来自标定配置，禁止写死 |
| 参数 | 匹配/有效性/滤波阈值 | 配置外置（§9），启动期加载并校验 |
| 时钟 | 当前单调时刻 | 用于输出打戳 |

**契约要点**：

- **同帧契约**：左右帧必须来自同一曝光时刻（同步与配对由平台层保证，
  形态差异见《双目深度估计思路》§3.2）。本文把"左右帧标识一致"作为
  输入违约检查：不一致直接拒收本帧、输出空、告警节流——**不同帧的
  框配对解算没有物理意义**；
- **校正契约**：检测框位于**已立体校正**的图像上（"两目 y 对齐"是校正
  的结果而非假设，§3）；未校正图像上的框不得进入本模块；
- **坐标基准一致**：检测若在缩放/裁剪图上运行，框必须先映射回校正图像
  基准，且几何参数 `F/cx/cy` 使用同一基准的内参——否则视差与几何失配，
  距离系统性错误；
- **时间戳纪律**：输出取样时刻以**平台接收时刻的单调时钟**为准，
  不伪造采集时刻。

### 2.2 输出：目标距离记录（每帧每目标一条，纯值）

| 字段 | 单位/类型 | 语义 |
|------|-----------|------|
| 帧标识 | — | 继承自输入帧对 |
| 类别 | 枚举 | 目标类别 |
| 轨道关联 | 整数或"无" | 检测侧 track 关联（如有；v1.0 可无） |
| `Z` | m | 前向距离（沿光轴分量，**距离通道唯一消费量**） |
| `R` | m | 斜距（参考值，不进控制回路；与已发布的 `Z` **同基准**——按滤波后 Z 换算，保证 `R ≥ Z`） |
| `D` | px | 本次视差（调试与交叉校验用） |
| `c_mid` | 像素 (x, y) | **虚拟双目中心**框中心：方位控制源（§6.6） |
| 参考目框 | 像素框 | 左目（参考目）检测框，供交叉校验与调试 |
| `confidence` | [0,1] | 匹配质量与一致性综合置信度 |
| `valid` | 布尔 | 是否落在有效距离域且匹配成功且一致性正常（§6.4） |
| 退化标记 | 枚举 | `完整`（距离+方位）/ `仅方位`（单目检出，§5 第 ⑤ 步） |
| 取样时刻 | 单调时钟 | 平台接收时刻打戳（§2.1 时间戳纪律） |

**记录两态**：

- **完整记录**（匹配成功）：距离 + 方位 + 有效性；
- **仅方位记录**（仅一目检出，v1.0 允许）：发布该目框中心作方位，
  `valid = false`，无距离；单目方位存在近场视差偏差（§6.6，v1.0 接受）。

### 2.3 输出语义与消费侧衔接

- `valid == true` 的 `Z` 才可作为控制律距离通道输入；消费侧另有自己的
  "有效性 + 正值 + 未超龄"三重门（见《视觉跟踪控制律技术路线》§6.4）；
- `valid == false`（域外/失配/一致性异常）→ 消费侧进入"无距离"策略
  （方位闭环 + 定速接近，默认档），持续无距离达门限才退出近距操作
  （消费侧 exit 门限，S1）；
- **`c_mid` 始终随检测发布**（域外仍有方位）——这是远场"方位闭环 +
  定速接近"策略得以成立的输入基础；
- 消费侧以 `track_id` 一致性校验本记录与追踪主目标对应（调用方约定
  S3，库内不实现）。

---

## 3. 坐标系与符号约定

### 3.1 符号表

| 符号 | 含义 | 单位 |
|------|------|------|
| `B` | 基线长度（左右光心间距） | m |
| `F` | 像素焦距（校正后 `fx = fy`） | px |
| `cx, cy` | x/y 方向主点 | px |
| `xL, yL` | 目标点在**左目（参考目）**图像中的像素坐标 | px |
| `xR` | 同一目标点在右目图像中的像素坐标 | px |
| `D` | 视差 = `xL − xR` | px |
| `Z` | 前向距离（沿光轴分量） | m |
| `X, Y` | 相机（左目）坐标系横向/纵向偏移 | m |
| `X_C` | 目标在**模组中心系**的横向偏移 | m |
| `R` | 斜距 | m |
| `cL, cR` | 同一目标在左/右目中的**检测框中心** | px |
| `c_mid` | 虚拟双目中心框中心（方位源） | px |

**统一约定**：校正后**以左目为参考系**，视差 `D = xL − xR > 0`
（正视差是物理前提；`D ≤ 0` 视为违例，§6.3）。

### 3.2 公式（校正后坐标系）

```text
D = xL − xR                        （同一物理特征点的 x 坐标差）
Z = F × B / D
X = (xL − cx) × Z / F              （左目系）
Y = (yL − cy) × Z / F
R = sqrt(X² + Y² + Z²)
```

- **距离通道使用 Z（前向分量）而非 R**：与机头前向的期望射程语义对齐，
  也与地面真值仪（手持激光测距仪）的测量方向一致（决策 D8）；
  小角度下 `Z ≈ R`，大偏航角目标时二者差异增大，地面验证解读数据须注意；
- **X/Y 以左目系表达**；模组中心系下 `X_C = X − B/2`（左目光心在模组中线
  −B/2 侧，符号与 §6.6 一致；原文 `+B/2` 为笔误），`B/2` 对 `Z`、`R` 的
  影响可忽略（本机型 3cm）。

---

## 4. 核心构件与状态清单

| 构件 | 职责 | 运行期持久状态 | 备注 |
|------|------|---------------|------|
| 流程编排 | 单周期五步流程（§5） | 无 | 每帧一次 |
| 视差取点器 | 框 → 取点 x（同侧边缘，回退中心） | 无（纯函数） | §6.1 |
| 匹配器 | 左右框配对 | 无（纯函数） | **接口注入**，默认贪心；可替换为匈牙利等而不动调用方 |
| 测距计算 | `(D, 框)` → `(Z, X, Y, R, c_mid)` | 无（纯函数） | §3.2/§6.6 |
| 有效性判定 | 域内 + 误差预算判定 | 无（纯函数） | §6.4 |
| 一致性监控 | 时序层面质量自检 | **每目标**：上次视差 + 连续异常计数 | §6.7 |
| 时间滤波器 | 距离低通 + 跳变重置 | **每目标**：上次滤波值、初始化标志、连续失效计数 | §6.5 |
| 目标状态容器 | 隔离键解析 + 帧末老化清理 | **每目标**：最近框中心、最近出现帧 | 隔离键见下；连续 `filter_reset_frames` 帧未出现则整体清理 |
| 告警节流器 | 异常日志限频 | 每类异常：首见标记 + 累计计数 | 第 1 次 + 每满 100 次 |

**目标隔离键（v1.0 冻结）**：`track_id` 优先——左右目的 track_id 一致且
为正时，用 `(轨道, 类别, id)` 作键（v1.1 语义提前启用，上游追踪库已在
链路中）；否则回退**框位置最近邻**（同类别、门限 `isolation_gate_px` 内、
本帧尚未被占用的最近状态，一一归属）。

重写/移植时最容易漏的是**每目标隔离**的一致性计数与滤波状态——按
"全局单份"实现会在多目标下互相污染。

---

## 5. 单周期处理流程（主流程伪代码）

```text
函数 单周期处理(左帧, 右帧, 参数, now_ms) -> 目标距离记录列表:

    # ---- ① 输入违约检查 ----
    若 左帧.帧标识 ≠ 右帧.帧标识:
        告警节流("左右帧非同帧，拒收")
        返回 空列表

    # ---- ② 取点（每目每框一次，纯函数） ----
    左点表 ← 对 左帧.框列表 逐框取点(同侧边缘 x)                 # §6.1
    右点表 ← 对 右帧.框列表 逐框取点(同侧边缘 x)
    丢弃 坐标非有限值 的框（不参与匹配，也不发布记录；告警节流）

    # ---- ③ 左右匹配（接口注入，默认贪心） ----
    配对表 ← 匹配器.匹配(左点表, 右点表, 参数.匹配)              # §6.2

    # ---- ④ 配对成功的目标：测距 + 方位源 + 有效性 + 滤波 ----
    对 配对表 中每个 (左框, 右框, 代价):
        D      ← 视差选择(左框, 右框)  # 同侧边缘；越窗且中心在域内→回退中心（§6.1）
        (Z, R) ← 测距(D, 参数.几何)                             # §3.2
        c_mid  ← (左框.中心 + 右框.中心) / 2                     # §6.6
        域内    ← 有效性判定(D, Z, 代价, 参数.有效性)            # §6.4 门①②
        一致性  ← 一致性监控(目标键).推进(D)                     # §6.7
        置信度  ← 置信度映射(代价, 一致性)                       # §6.4 映射
        有效    ← 域内 且 一致性 正常

        若 有效:
            Z_out ← 滤波器(目标键).推进(Z, 参数.滤波)            # §6.5
        否则:
            滤波器(目标键).记失效()                              # §6.5 失效策略
            Z_out ← 无

        发布 记录(帧标识, 类别, Z_out, R, D, c_mid, 左框,
                  置信度, 有效, 完整, 取样时刻 = now_ms)

    # ---- ⑤ 单目退化（仅一目检出） ----
    对 未匹配的左框:
        发布 记录(仅方位 = 左框.中心, valid = false, 退化 = 单目)
    对 未匹配的右框:
        发布 记录(仅方位 = 右框.中心, valid = false, 退化 = 单目)

    # ---- ⑥ 空输入 ----
    若 两目框列表均为空:
        发布 无目标记录（或空列表）；不告警（正常空帧）
```

**失败路径语义**：

| 情形 | 行为 | 日志 |
|------|------|------|
| 左右帧标识不一致 | 拒收本帧，输出空 | WARN 节流 |
| 单目检测为空 | 另一目发布仅方位记录 | 不告警（正常退化） |
| 匹配全部失败 | 全部按仅方位发布 | 不告警 |
| 视差违例（`D ≤ 0` 或超界） | 该目标 `valid = false`，仍配对并发布 `D`/`c_mid` | WARN 节流 |
| 边缘视差越窗、中心回退 | 该目标用中心视差解算（框宽差可能混入，§6.1） | WARN 节流 |
| 框坐标非法（非有限值） | 丢弃该框，不参与匹配也不发布 | WARN 节流 |
| 两目均无检测 | 无目标记录 | 不告警 |

高频热路径（每帧执行的数学）不打日志；所有异常日志按节流规范
（第 1 次 + 每满 100 次，带累计计数）。

---

## 6. 各环节算法细节

### 6.1 视差取点：同侧边缘（v1.0 主方案）

同一物理目标在两目中的检测框宽并不严格相等（检测抖动、外观差异），
**框中心**视差会混入框宽差的一半，**同一侧边缘**视差可抵消框宽项：

| 取点方式 | 误差来源 | 结论 |
|----------|----------|------|
| 框中心 | 两目框宽差直接进入视差 | 作对照/回退 |
| **同侧边缘（v1.0）** | 边缘定位噪声 | **v1.0 主方案** |
| 多边缘 + 亚像素精化（灰度重心/抛物线拟合） | 实现复杂度 | v1.1 |

```text
取法:   D = 左框.左上角x − 右框.左上角x      （同取左侧边缘）
回退:   边缘视差越窗 且 中心视差在域内 → 回退框中心并告警节流
        两者均越窗 → 保留边缘值（供诊断与违例告警），由 §6.4 门 ① 判无效
```

> **不做"左右两边缘各算一次取中值"（v1.0 冻结）**：两边缘视差的中值恒
> 等于二者均值，即 `(cL.x − cR.x)`——**框中心视差**，与本表"同侧边缘
> 抵消框宽差"的理由自相矛盾（早期原文笔误），故不实现；亚像素精化留
> v1.1（§8.3）。

### 6.2 左右匹配：硬约束 + 贪心代价

**硬约束**（任一不满足直接拒绝配对，不进代价排序）：

- 类别一致；
- `|yL − yR| ≤ τ_y`（校正后 y 应对齐；这是校正质量的运行期体现）；
- 框高相近：`|hL − hR| / max(hL, hR) ≤ τ_h`。

**视差域不是配对硬约束（v1.0 冻结）**：越界目标仍应配对、仍发布 `D` 与
`c_mid`（远场"方位闭环 + 定速接近"的输入基础），仅由 §6.4 门 ① 判
`valid = false`。若把域并入硬约束，越界目标会退化为无方位的失配记录，
与 §2.3/§5 失败路径表的语义冲突。

**代价与贪心**：

```text
cost = |Δy| / τ_y + |Δh| / (τ_h × max(hL, hR))
按 cost 升序逐一配对，cost < 1 才接受，一一配对（一个左框至多配一个右框）
```

- 本场景目标数极少（1~2 个），O(n²) 贪心足够（§10.3）；
- 失败处理：任一目未匹配 → 该目标本帧无距离（仅方位发布），
  不阻塞其他目标。

### 6.3 测距计算与违例处理

```text
Z = F × B / D        （D ≤ 0：物理违例 → valid = false，告警节流）
R = sqrt(X² + Y² + Z²)   （参考输出）
```

- `D ≤ 0` 在校正正确的正视差几何下不应出现；出现说明匹配错误或校正
  残差过大，宁可无效不可给值；
- `D ≤ 0` 时**不出解算结果**（无 `Z`、无 `R`）；超界（`0 < D < D_min`
  或 `> D_max`）仍解算 `Z`/`R` 供诊断与告警，同样 `valid = false`；
- 边缘取点为像素级整数（取整/插值规则由实现自定，但**左右目必须一致**）；
- 所有除法分母（`D`）在使用前校验为正。

### 6.4 有效性判定：三道门（缺一不可）

| 门 | 判据 | 拦截什么 |
|----|------|---------|
| ① 域内 | `D ∈ [D_min, D_max]`（含边界）；距离域由 `Z = F·B/D` 派生 | 远场小视差病态 + 近场大视差盲区 |
| ② 误差预算 | `δZ(δD=1px) = Z²/(F·B) ≤ δZ_max` | 有效域边界处的精度下限 |
| ③ 一致性正常 | §6.7 监控未判异常 | 持续视差跳变（标定漂移/同步故障/匹配错误） |

```text
valid = 域内 且 误差预算内 且 匹配成功 且 一致性正常
```

匹配成功由第 ③ 步保证（只有配对目标才进入本节判定）。

**门 ① 以视差域为唯一真源（v1.0 冻结）**：配置只存
`disparity_min_px / disparity_max_px`，`Z_min / Z_max` 由 `Z = F·B/D`
派生为只读量——`D` 是直接观测量，`Z` 是导出量，用 `D` 判域可避免
"距离阈值反推视差阈值"的舍入不一致；两处冗余存储正是该不一致的根源
（原文 §9.2 占位值即不自洽：`D_min = 3px` ⇔ 19.2m ≠ 20m），故不再
"互推并校验自洽"。

**门 ② 的 δD 基准固定为 1px（⚠占位，v1.0 冻结）**：δD 的真实构成
（边缘定位噪声 + 校正残差 + 帧不同步 + 压缩伪影，§7.1）留待地面真值
拟合（§12.2），当前不做估计、不随目标状态变化。

**置信度映射（⚠占位，v1.0 冻结）**：基值 = `clamp(1 − 匹配代价, 0, 1)`；
连续跳变 ≥ N 帧（§6.7）时乘降级系数（⚠0.5）；判 invalid（≥ M 帧）时置 0。

### 6.5 时间滤波与跳变重置（每目标独立）

```text
推进(Z_new):
    若 未初始化:            状态 ← Z_new; 返回 Z_new
    若 |Z_new − 上次| > 跳变门限:
        状态 ← Z_new        # 直接重置而非滤波，防止拖尾
    否则:
        状态 ← 上次 + α × (Z_new − 上次)      # 一阶低通，α ∈ (0,1]
    返回 状态

记失效():                        # 无效帧与"目标本帧缺席"均记失效（§6.5 失效策略）
    连续失效计数 +1
    若 连续失效 ≥ filter_reset_frames: 清空滤波状态（下次有效帧重新初始化）
```

- **单帧毛刺由跳变重置处理，持续性异常由 §6.7 一致性监控处理**，
  两者职责不同不得合并；
- `α = 1` 等效不滤波；滤波只在**有效帧**之间进行，无效帧不参与平滑；
- 清理门限 `filter_reset_frames` **独立配置**（不复用 §6.7 的 M，⚠占位
  5 帧），防"陈旧状态平滑新测量"；
- 参考斜距 `R` 与**滤波后**的 `Z_out` 同基准（`X/Y/Z ∝ Z`，按
  `Z_out/Z_raw` 精确换基，保证 `R ≥ Z`，§2.2）；
- 滤波引入的群延迟约 `1/α` 帧（⚠占位 α=0.3 → 约 3 帧 ≈ 0.1s），
  接近阶段的距离滞后由消费侧 PID 与限幅吸收。

### 6.6 方位源：虚拟双目中心 `c_mid`

**问题**：双目模组两枚相机分列模组中线两侧（各偏 ±B/2），都不在机身
中轴上。校正后严格成立的只有 **y 对齐**（垂直方向不受两目差异影响）；
水平方向上直接以某一目（如左目）的像素做方位控制，收敛后对准的是
**该相机的光轴**，相对模组中线存在恒定视差偏差：

```text
β_bias ≈ atan( (B/2) / Z )
```

| 距离 Z | 角度偏差 | 像素等效（F≈960px，⚠占位） |
|-------:|-------:|-------:|
| 3 m  | 0.57°  | ≈10 px |
| 10 m | 0.17°  | ≈2.9 px |

远距离可忽略，**近场不可忽略**；偏差方向恒定、随距离减小。

**精确修正（零额外成本）**：校正后几何下，位于基线中点的**虚拟相机**
对任一物理点 P 的投影恰为该点在两目投影的**等权平均**：

```text
xL = cx + F·(X_C + B/2)/Z        （左目光心在模组中线 −B/2 侧）
xR = cx + F·(X_C − B/2)/Z        （右目光心在模组中线 +B/2 侧）
(xL + xR) / 2 = cx + F·X_C/Z     （= 虚拟相机投影，逐点精确，无近似）
```

检测框的每条边缘都是物理点、逐点满足上式，因此：

```text
虚拟框 = 两目框逐边平均   ⇒   虚拟框中心 c_mid = (cL + cR) / 2
c_mid.y = (cL.y + cR.y) / 2    （校正后两目 y 天然相等，取平均兼得降噪）
```

即**等权平均等价于把相机搬到模组中线**，方位控制对标的是虚拟中心相机，
与机体中轴的安装偏移（如有）属安装外参，按安装标定处理。

**方位源与视差取点是两个不同的取点，不得混用**：

| 用途 | 取点 | 原因 |
|------|------|------|
| 视差 D（测距） | **同侧边缘** | 抵消两目框宽差（§6.1） |
| 方位 c_mid（控制） | **框中心等权平均** | 瞄点语义 = 虚拟框中心；误用边缘点平均会把瞄点偏到目标边缘（约半个框宽） |

**单目退化**（仅一目检出，v1.0）：退化为该目框中心，接受上表偏差；
v1.1 可用最近一次有效 Z 做定值修正 `Δx = F·(B/2)/Z` px。

### 6.7 内部一致性监控（替代原激光交叉校验）

机载激光移除后无外部距离基准，飞行中只能靠自身时序一致性监控数据
质量（**只能降级、不能纠偏**，绝对精度靠地面静态验证，§12.1）：

```text
逐目标推进(D):
    视差跳变 = |D − 上次 D|（或等效 Z 跳变量；门限 consistency_jump_px）
    连续 N 帧跳变超门限  → confidence 降级（⚠×0.5）
    连续 M 帧异常        → valid 置 false 并 WARN（节流）
    任一正常帧           → 清零连续计数
```

- 匹配层面质量（|Δy| 残差、框高一致性、代价门限）已由 §6.2 硬约束
  承担；本节只管**时序层面**；
- 跳变门限 `consistency_jump_px`（⚠占位 3px）、N / M（⚠ 3 / 5 帧）均
  为占位，实测后整定（§9.3）；
- **推进时机（v1.0 冻结）**：只在配对成功帧推进——仅方位帧没有 `D`
  观测量，不推进 D 序列、也不清零；目标缺席/无效帧的**滤波失效**由
  §6.5 记，两条状态机职责不混；
- 监控判 invalid 是"质量语义"而非"错误"：输出仍正常发布（仅方位），
  由消费侧按无距离策略接管。

---

## 7. 误差模型与有效距离域

### 7.1 误差模型

由 `D = F·B/Z` 微分得：

```text
δZ ≈ Z² · δD / (F·B)          （绝对误差，随距离平方增长）
δZ / Z ≈ Z · δD / (F·B)       （相对误差，随距离线性增长）
```

`δD` 的构成：检测框边缘定位噪声 + 校正残差（|Δy| 失配混入）+ 帧不同步
引入的运动虚假视差 + 有损压缩伪影（平台相关，抽象计入边缘噪声）。
基线与焦距误差（δB/B、δF/F）线性传递、量级小，出厂标定后可忽略。

**这是"双目只能作近场距离源"的定量依据**，也是第 8 章多数缺点的根源。

### 7.2 有效距离域判据

```text
valid 域 ⇔ D ∈ [D_min, D_max]（⚠占位 3 ~ 57.6px）
         且 δZ(δD = 1px) ≤ δZ_max（⚠占位 2m）
```

- 按占位焦距计算：宽角档（HFOV≈90°）有效域约 **≤15m**、窄角档
  （HFOV≈60°）约 **≤20m**（**⚠占位，待厂商实焦距回填后重算**；
  数值回填的权威位置在《双目深度估计思路》§5.3 误差表）；
- 近界：`D_max`（或 `Z_min`）限定最近可测距离——目标过近时视差超上限、
  框占满画面、边缘取点失效（§8 第 3 条）；
- 敏感性：误差 ∝ 1/B。更换大基线机型误差按比例缩小、有效域等比扩大
  ——**换机型（P6）是扩大远场能力的唯一杠杆**。

### 7.3 远场空洞（如实声明）

双目有效域之外（预计 >15~20m，待焦距回填），系统**不存在任何机载
目标距离源**。补偿方式是消费侧的远场策略（方位闭环 + 定速接近，D4），
而非强行使用不可靠的远场估计。本模块的职责边界是：把"测不了"诚实
地表达为 `valid = false` + 持续发布方位。

---

## 8. 职责、边界与已知缺点

### 8.1 职责（一句话版）

> 对同帧左右检测框做立体几何解算：**有效域内给出目标前向距离，
> 全程给出虚拟中心方位，测不了时诚实输出无效**——供控制律做
> 近场距离闭环与远场方位闭环 + 定速接近。

边界（不做什么）见 §1.4；与避障深度模型的分工见《双目深度估计思路》§1.3。

### 8.2 已知缺点与局限（如实声明，不得因文档目的删减）

| # | 缺点 | 根因 | 影响 | 现行对策 / 接受理由 |
|---|------|------|------|---------------------|
| 1 | **误差随距离平方增长** | `δZ ∝ Z²`（§7.1） | 远距离距离值不可用 | 有效域判据硬性拦截（§6.4）；域外交给定速接近 |
| 2 | **远场空洞** | 有效域 >15~20m 外无任何机载距离源 | 远场无法距离闭环 | 消费侧 D4 策略（方位闭环 + 定速接近）；扩域唯一杠杆是换机型（P6） |
| 3 | **近场盲区** | 视差超 `D_max`、框占满画面、边缘取点失效 | 反制逼近的最后阶段恰是最需要距离时失效 | 消费侧判丢刹车/定速接近兜底；`Z_min` 如实设界 |
| 4 | **检测框是单点依赖** | 全部几何量从框导出 | 无检测即无距离也无方位；框抖动直接进入 δD | 检测置信度门槛在检测侧；追踪库 Coast 补帧兜底 |
| 5 | **框级精度上限** | 取点在框边缘/中心，非特征级匹配 | 精度天花板高于特征级方案 | 接受（几何换算换实时性，§10.1）；v1.1 亚像素精化 |
| 6 | **小视差病态** | 远距 D → 1px，量化误差主导 | 远场 δD=1px 假设过于乐观 | 同上由有效域拦截 |
| 7 | **标定与校正依赖** | y 对齐、无畸变是解算前提 | 未标定则系统性偏差，甚至全盘不成立 | P2 出厂标定为 v1.0 首要前置；不达标则 v1.1 自标定提前 |
| 8 | **帧不同步敏感** | 非同瞬曝光 → 运动目标虚假视差 | 快速横移目标距离失真 | 同帧契约（§2.1）+ 13 章快速横移验证；同步形态待 P3 |
| 9 | **固定基线/焦距** | 单一几何配置 | 近盲远废的区间固定 | 参数化配置；换机型只改配置（红线 2） |
| 10 | **贪心匹配局限** | O(n²) 局部最优 | 目标多/邻近/遮挡时错配风险 | 目标数极少（1~2）可接受；匹配器接口注入保留替换空间 |
| 11 | **无飞行中绝对基准** | 激光移除后无外部真值（D2/D8） | 一致性监控只能降级、不能纠偏 | 绝对精度靠地面手持激光测距仪静态验证（§12.1） |
| 12 | **单目退化有瞄偏** | 单目光轴偏离模组中线（§6.6） | 仅方位记录时方位存在 0.5° 量级近场偏差 | v1.0 接受并如实标注退化；v1.1 定值修正 |

**阅读提示**：1/2/3/6/9 是几何固有，只能拦截或换硬件，不能修好；
4/5/8/10/12 是工程折中，有 v1.1/v2.0 改进路径；7/11 是流程前提，
靠标定与地面验证闭环。

### 8.3 缺点对策索引

| 路径 | 覆盖的缺点 |
|------|-----------|
| v1.1（算法） | 亚像素边缘（5）、真值拟合误差修正项（1/6）、track_id 辅助匹配（10）、单目定值修正（12）、自标定（7，视 P2 结论提前） |
| v2.0（远期） | 实例分割替代框（4/5）、端到端立体评估（5）、更大基线/长焦机型（1/2/3/6/9，P6） |
| 消费侧兜底 | 定速接近 + 判丢刹车 + exit 门限（2/3 的安全网） |
| 地面验证 | 7/8/11 的唯一闭环手段 |

---

## 9. 配置参数全量表

全部参数**配置外置、启动期一次加载并校验**：缺项、类型错误、非法取值
一律拒绝进入运行期（fail-fast，语义要求，不绑定具体配置格式）。
所有数值均为占位（⚠），整定后回填。

### 9.1 几何组（来自标定，P1/P2）

| 键 | 单位 | 占位值 | 作用 |
|----|------|-------|------|
| `baseline_m` | m | 0.06 | 基线 B；更换机型只改此项 |
| `fx_px` / `fy_px` | px | 960.0（⚠占位，待 P1） | 像素焦距（校正后 `fx = fy = F`） |
| `cx_px` / `cy_px` | px | 960.0 / 540.0（⚠占位，待 P2） | 主点 |

### 9.2 匹配组

| 键 | 单位 | 占位值 | 作用 |
|----|------|-------|------|
| `tau_y_px` | px | 2.0 | \|Δy\| 硬约束（同时是校正质量的运行期体现） |
| `tau_h_ratio` | — | 0.25 | 框高相对差硬约束 |
| `disparity_min_px` | px | 3.0 | 最小可测视差（远界）；**域唯一真源**（§6.4） |
| `disparity_max_px` | px | 57.6 | 最大可测视差（近界）；⚠占位：按 F=960/B=0.06 反推 ⇔ 1.0 m |
| `distance_min_m` / `distance_max_m` | m | **不再配置** | v1.0 冻结：距离域由 `Z = F·B/D` 从视差域派生为只读量（§6.4） |

### 9.3 有效性组

| 键 | 单位 | 占位值 | 作用 |
|----|------|-------|------|
| `max_delta_z_m` | m | 2.0 | 误差预算 `δZ(δD=1px)` 上限（δD 基准固定 1px，§6.4） |
| `consistency_N_frames` | 帧 | 3 | 连续跳变降置信度的帧数 |
| `consistency_M_frames` | 帧 | 5 | 连续异常判 invalid 的帧数 |
| `consistency_jump_px` | px | 3.0 | 单帧视差跳变门限（§6.7）；**v1.0 补充项**（原文缺项） |

### 9.4 滤波组

| 键 | 单位 | 占位值 | 作用 |
|----|------|-------|------|
| `smooth_alpha` | — | 0.3 | 一阶低通系数（§6.5 定义，1 = 不滤波） |
| `jump_reset_m` | m | 5.0 | 单帧跳变直接重置的门限 |
| `filter_reset_frames` | 帧 | 5（⚠独立配置，不复用 M） | 连续失效多久后清空滤波状态（§6.5） |

### 9.5 目标隔离组

| 键 | 单位 | 占位值 | 作用 |
|----|------|-------|------|
| `isolation_gate_px` | px | 50.0 | 最近邻兜底的匹配门限（§4）；**v1.0 补充项**（原文缺项） |

---

## 10. 设计取舍记录（为什么不是别的做法）

### 10.1 两次目标检测代替稠密像素匹配

双目深度最难的是逐像素匹配：稠密立体匹配（SGBM 类）在该分辨率与
嵌入式 CPU 预算下不可行，而系统需求只是**少量目标的距离**。用左右
各一次轻量检测 + 框级几何换算绕开逐像素匹配，以"检测框天然给出 ROI"
换"精度天花板"（§8 第 5 条）。检测算力实测单核 20~30ms，NPU 预算
成立（平台侧见《双目深度估计思路》第 9 章）。

### 10.2 不先上端到端深度网络

需采集标注数据集、可解释性差、误差行为不可解析；先以几何法建立
**可验证的真值基线**，端到端立体/深度网络留 v2.0 评估。

### 10.3 贪心匹配而非匈牙利

目标数 1~2 个，贪心与全局最优几乎必然同解；O(n²) 足够。匹配器做
**接口注入**，保留替换为匈牙利/带连续性先验算法的空间而不动调用方。

### 10.4 同侧边缘而非框中心取视差

框宽差直接污染中心视差；同侧边缘可抵消框宽项（§6.1，原稿缺陷 2 的修正）。

### 10.5 距离通道用 Z 不用 R

与机头前向期望射程语义对齐，也与地面真值仪测量方向一致（决策 D8）；
R 仅作参考输出。

### 10.6 方位源取两目框中心等权平均（虚拟中心像素）

两目均偏于模组中线 ±B/2，单目存在近场视差偏差（3m 处约 0.57°）；
等权平均是投影几何**精确解**（§6.6，原稿"offset 加权"构想的正确形式，
决策 D5）。注意与视差取点（同侧边缘）分工不同、不可混用。

### 10.7 双目为机载唯一距离源、域外定速接近

替代激光（b96111e / D2）；远场误差平方发散，强行估计不可靠——以
"诚实 invalid + 持续方位"支撑消费侧的方位闭环 + 定速接近（D4），
而不是在算法侧掩盖远场空洞。

---

## 11. 实现与重写指引

### 11.1 必须持久化的状态（漏一个就变行为）

| 状态 | 所属 | 初值 | 何时改变 |
|------|------|------|---------|
| 上次视差 + 连续异常计数 ×目标 | 一致性监控 | 无 / 0 | 配对帧写入上次视差；异常 +1 / 正常清零 |
| 上次滤波值 ×目标 | 时间滤波器 | 无（未初始化） | 每有效帧写入 |
| 滤波初始化标志 ×目标 | 时间滤波器 | false | 首个有效帧置 true；清空时回 false |
| 连续失效计数 ×目标 | 时间滤波器 | 0 | 每无效/缺席帧 +1 / 有效帧清零 |
| 最近框中心、最近出现帧 ×目标 | 目标状态容器 | 首帧写入 | 每次解析隔离键时刷新；连续 `filter_reset_frames` 帧未出现则整体清理 |
| 帧序号 | 流程编排 | 0 | 每帧 +1（被拒收的违约帧不加） |
| 告警节流状态 ×异常类 | 节流器 | 首见未打印 + 计数 0 | 每次异常更新 |

构造期预计算量：针孔系数与常量（如 `F·B`）一次算好，热路径只做乘除。

### 11.2 数值与精度注意

| 事项 | 处理方式 | 理由 |
|------|---------|------|
| 除零 | `D ≤ 0` 先判违例再除 | 正视差是物理前提（§6.3） |
| 视差取整 | 左右目规则必须一致 | 不一致会引入系统性 δD |
| 域判定基准 | 用 `D` 判域而非 `Z` | 直接观测量，避免往返舍入（§6.4） |
| 域配置单一来源 | 只配视差域，距离域派生 | 两处冗余存储是互推舍入不一致的根源（§6.4/§9.2） |
| 误差预算基准 | δD 固定 1px（⚠占位），不做在线估计 | 真实 δD 留待地面真值拟合（§12.2） |
| 浮点比较 | 阈值比较用 `≥/≤` 含边界语义 | 边界帧的归类必须确定 |

### 11.3 并发与生命周期

- 本模块是**纯计算单元**：驱动方式（独立线程 / 订阅回调 / 同步调用）
  由平台层决定，本文只约定数据契约；
- 同一实例**不得并发调用**单周期处理（含滤波/一致性状态的无锁前提）；
- 输出记录为**值拷贝**语义：多消费者各自持有快照，不得共享可变状态；
- 单周期处理应当无阻塞、无 IO（日志走节流通道，不落在数学热路径上）。

### 11.4 可测试性设计（构件边界即测试边界）

| 构件 | 是否纯函数 | 测试要点 |
|------|-----------|---------|
| 取点器 | 是 | 同侧边缘取值；框宽差不进入视差（构造两目等框不同宽断言 D 相同）；越窗回退中心；边界含等号 |
| 匹配器 | 是 | 硬约束拦截各一例；贪心排序；一一配对；cost ≥ 1 拒绝 |
| 测距计算 | 是 | 已知 Z 反推 D 构造框对，断言 `Z = F·B/D` 回收；`D ≤ 0` 违例；`c_mid` 等权平均精确性（§6.6 恒等式）；`R` 与发布 Z 同基准（`R ≥ Z`） |
| 有效性判定 | 是 | 三道门各一例；边界帧（恰在域界）归类确定；预算门通过/拦截两侧 |
| 时间滤波器 | 否 | 低通收敛；跳变重置不拖尾；失效清理 |
| 一致性监控 | 否 | N 帧降级、M 帧判 invalid、正常帧清零 |
| 目标隔离 | 否 | track_id 一致跨大位移保持状态；最近邻越门限新建；老化清理 |
| 全流程 | 否 | 合成帧对端到端：单目标/多目标/单目退化/非同帧拒收/记录顺序/非有限框/reset |

**无需真实图像**：全部测试用合成框对驱动，几何是解析可断言的。参考实现
的构件级用例已全部通过（§12.1）。

---

## 12. 验证路线与待定项

### 12.1 验证项

| 项 | 方法 | 通过标准 |
|----|------|----------|
| 构件级 | §11.4 合成框对单测 | 全部通过（无硬件依赖）；Python 参考实现 `utils/stereo_ranger/` 用例已跑通 |
| 校正质量 | 静态场景统计匹配框 \|Δy\| 分布 | P95 ≤ 1px（⚠占位）；不达标触发自标定提前 |
| 测距精度 | 5/10/15/20m 静态标靶，以**地面手持激光测距仪**为真值（非机载，D8），记录误差曲线 | 趋势与 §7 一致；有效域内 δZ ≤ 2m（⚠占位） |
| 帧同步 | 目标横向快速移动，观察视差时序抖动 | 无系统性虚假视差 |
| 控制联动 | 回放/SITL：距离闭环 ↔ 定速接近切换、invalid 持续降级路径 | 《视觉跟踪控制律技术路线》第 7 章场景全覆盖 |
| 日志纪律 | 检查异常路径日志 | 节流规范（第 1 次 + 每 100 次，带累计计数） |

### 12.2 待定项

开放问题（P1 焦距规格、P2 出厂标定、P3 帧同步形态、P6 换机型、
P7 性能实测、P8 避障激光去留）以《双目深度估计思路》第 15 章为权威
清单，本文不另立编号；其中：

- **P1/P2 直接决定本文 §7 结论与 §9 几何组能否从占位变实值**；
- **v1.0 实现补充的占位量**：`consistency_jump_px`（3px）、
  `isolation_gate_px`（50px）、置信度降级系数（0.5）、误差预算基准 δD
  （固定 1px）——随 P1/P2 回填与实测一并整定（§9.3/§9.5）；
- **P6 是扩大有效域的唯一杠杆**（§7.2）；
- P8（避障单点激光去留）不影响本链路——目标测距职责已由本模块承担。

### 12.3 红线

1. **占位数值不得用于飞行决策**：§7/§9 中所有 ⚠ 数值未经厂商数据与
   整定确认前，本模块输出仅限静态标靶/回放/台架验证；
2. **相机参数与阈值一律配置外置**，禁止写死（后续可能更换机型）；
3. **域外/失配必须输出 `valid = false`**，不得强行估计距离（远场策略
   的正确性建立在有效性不撒谎之上）；
4. **标定与地面真值验证完成前不得接入实飞控制回路**（与消费侧控制律
   红线一致，见《视觉跟踪控制律技术路线》§12.3）。