针孔相机模型和变形

这一节里的函数都使用针孔相机模型，这就是说，一幅视图是通过透视变换将三维空间中的点投影到图像平面。投影公式如下：

$s \cdot m' = A\cdot[R|t] \cdot M'$ 或者

$s\cdot \begin{bmatrix} u \\ v \\ 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} fx & 0 & cx \\ 0 & fy & cy \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} r_{11} & r_{12} & r_{13} & t_{1} \\ r_{21} & r_{22} & r_{23} & t_{2} \\ r_{31} & r_{32} & r_{33} & t_{3} \end{bmatrix} \cdot \begin{bmatrix} X \\ Y \\ Z \\ 1 \end{bmatrix}$

这里(X, Y, Z)是一个点的世界坐标，(u, v)是点投影在图像平面的坐标，以像素为单位。A被称作摄像机矩阵，或者内参数矩阵。(cx, cy)是基准点（通常在图像的中心），fx, fy是以像素为单位的焦距。所以如果因为某些因素对来自于摄像机的一幅图像升采样或者降采样，所有这些参数(fx, fy, cx和cy)都将被缩放（乘或者除）同样的尺度。内参数矩阵不依赖场景的视图，一旦计算出，可以被重复使用（只要焦距固定）。旋转－平移矩阵[R|t]被称作外参数矩阵，它用来描述相机相对于一个固定场景的运动，或者相反，物体围绕相机的的刚性运动。也就是[R|t]将点(X, Y, Z)的坐标变换到某个坐标系，这个坐标系相对于摄像机来说是固定不变的。上面的变换等价与下面的形式（z≠0）：

$\begin{bmatrix}x \\ y \\z \end{bmatrix} = R \cdot \begin{bmatrix}X \\ Y \\Z \end{bmatrix} + t$

$x' = x / z$

$y' = y / z$

$u=fx \cdot x' + cx$

$v=fy \cdot y' + cy$

真正的镜头通常有一些形变，主要的变形为径向形变，也会有轻微的切向形变。所以上面的模型可以扩展为：

$\begin{bmatrix}x \\ y \\z \end{bmatrix} = R \cdot \begin{bmatrix}X \\ Y \\Z \end{bmatrix} + t$

$x' = x / z$

$y' = y / z$

$x'' = x' \cdot (1 + k_1 \cdot r^2 + k_2 \cdot r^4) + 2 \cdot p_1 \cdot x'\cdot y' + p_2 \cdot (r^2+2x'^2)$

$y'' = y' \cdot (1 + k_1 \cdot r^2 + k_2 \cdot r^4) + p_1 \cdot (r^2+2 \cdot y'^2) + 2 \cdot p_2 \cdot x'\cdot y'$

这里 $r 2 = x' 2 + y' 2$

$u = fx \cdot x'' + cx$

$v = fy \cdot y'' + cy$

$k 1 和 k 2 是径向形变系数， p 1 和 p 1 是切向形变系数。OpenCV中没有考虑高阶系数。形变系数跟拍摄的场景无关，因此它们是内参数，而且与拍摄图像的分辨率无关。$

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如图2.1所示，以图像左上角为原点建立以像素为单位的直接坐标系u-v。像素的横坐标u与纵坐标v分别是在其图像数组中所在的列数与所在行数。（在OpenCV中u对应x，v对应y）

由于(u,v)只代表像素的列数与行数，而像素在图像中的位置并没有用物理单位表示出来，所以，我们还要建立以物理单位（如毫米）表示的图像坐标系x-y。将相机光轴与图像平面的交点（一般位于图像平面的中心处，也称为图像的主点（principal point）定义为该坐标系的原点O1，且x轴与u轴平行，y轴与v轴平行，假设(u0,v0)代表O1在u-v坐标系下的坐标，dx与dy分别表示每个像素在横轴x和纵轴y上的物理尺寸，则图像中的每个像素在u-v坐标系中的坐标和在x-y坐标系中的坐标之间都存在如下的关系：

(上述公式中我们假设物理坐标系中的单位为毫米，那么dx的的单位为:毫米/像素。那么x/dx的单位就是像素了，即和u的单位一样都是像素）

为了使用方便，可将上式用齐次坐标与矩阵形式表示为：

相机坐标系

相机成像的几何关系可由图2.2表示。其中O点为摄像机光心（投影中心），Xc轴和Yc轴与成像平面坐标系的x轴和y轴平行，Zc轴为摄像机的光轴，和图像平面垂直。光轴与图像平面的交点为图像的主点O1,由点O与Xc,Yc,Zc轴组成的直角坐标系称为摄像机的坐标系。OO1为摄像机的焦距。

3、世界坐标系

世界坐标系是为了描述相机的位置而被引入的，如图2.2中坐标系OwXwYwZw即为世界坐标系。平移向量t和旋转矩阵R可以用来表示相机坐标系与世界坐标系的关系。所以，假设空间点P在世界坐标系下的齐次坐标是(Xw,Yw,Zw,1)T，（这里T是上标转置），在相机坐标下的齐次坐标是(Xc,Yc,Zc,1)T,则存在如下的关系：

上式中R是3×3的正交单位矩阵（也成为旋转矩阵），t是三维的平移向量。矢量0=(0,0,0),M1是4×4矩阵。

posted @ 2015-06-12 10:51 aminxu 阅读(1431) 评论(0) 收藏举报

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针孔相机模型和变形

相机坐标系

3、世界坐标系

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