• 计算机视觉基础(8)——齐次坐标系与相机内外参


    前言

    本节我们将学习到透视投影、齐次坐标系等基础知识,在这些基础知识上,进一步了解到相机的参数,相机参数分为相机外参和相机内参,相机外参是从世界坐标系到相机坐标系,相机内参是从相机坐标系到图像坐标系。

    一、透视投影

    首先让我们回顾一下上节学习的针孔相机模型

    所有光线相交于相机中心 (针孔),在相机后的图像平面成倒像

    图像平面与相机的距离为焦距f,是相机的一项参数

    在相机前假设存在虚像,与实像关于针孔呈中心对称

    针孔模型将3D场景投影至2D平面,这个过程是典型的透视投影。

    1.1  透视投影的性质

    直线投影后仍是直线 (Line-preserving)

    物体投影后的大小与原大小不一定相同,与距离成反比,近大远小 (Not length-preserving)

    投影前后角度也会发生变化 (Not angle-preserving),即平行线投影后不再平行

    同一方向上的所有平行线相交于一点,消逝点 (Vanishing point)

    消逝点代表无穷远点,每个方向有且仅有一个消逝点

    1.2  正投影与弱透视投影

    1.3  数学推导

    二、齐次坐标系

    齐次坐标系(Homogeneous Coordinates, H.C.) 是投影几何中常用坐标系

    与笛卡尔坐标系相比,H.C.表达式更加简练、紧凑

    仿射变换、投影变换都可以用一个矩阵表示

    无穷远点可以用有限坐标表示

    2.1  齐次坐标系的定义

    2.2  齐次坐标系与笛卡尔坐标系的转换

    2.3  点、线变换

    【点与直线的齐次坐标形式】

    【求解两条直线的交点】

    【求解通过两点的直线】

    2.4  齐次坐标系下的几何变换

    刚性几何变换本质是坐标变换

    齐次坐标系下坐标变化可以表示为如下一般形式

    【举例说明】 

    1、选择+平移

    2、相似/仿射/投影变换 

    3、反变换与级联变换

    三、相机参数

    相机成像所涉及的坐标系有3个:世界坐标系、相机坐标系、图像坐标系。

    世界坐标系:用于描述3D场景中物体的坐标,根据任务定义

    相机坐标系:以相机中心为原点的坐标系

    图像坐标系:图像平面上的坐标系,以图像左上角作为原点

    成像过程实质是从世界坐标系到图像坐标系的映射,映射的过程采用相机外参(Extrinsic)和内参(Intrinsic)描述

    成像过程: 世界坐标系 -> 相机坐标系 -> 图像坐标系 -> 相机中心

    3.1  相机外参

    相机外参:从世界坐标系到相机坐标系

    相机坐标系与世界坐标系之间存在旋转和平移变换,分别由旋转矩阵𝑹 ∈ ℝ3×3和平移向量𝑻 ∈ ℝ3×1表示

    𝑹𝑻6个自由度,被称为相机的外参 (Extrinsic Parameters)、相机的姿态 (Pose)

    世界坐标系到相机坐标系的坐标变换关系:

    3.2  相机内参

    相机内参:从相机坐标系到图像坐标系

    引入额外两个参数 𝑘 与 𝑙  (单位是 𝑝𝑖𝑥𝑒𝑙𝑠 / 𝑐𝑚 )

    实现图像水平和竖直方向由物理单位到像素单位的转化:

    齐次坐标系的表达形式如下:

    3.3  世界坐标系 -> 图像坐标系

    总结

    通过本节的讲解,我们了解了透视投影的概念,学习了齐次坐标系以及其与笛卡尔坐标系的转换,并进一步学习了点线变换和齐次坐标系下的几何变换。在掌握这些基础知识后,我们进一步学习了相机的内外参,从世界坐标系到相机坐标系,再到图像坐标系,为我们后续学习相机标定打下坚实的基础。

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