射影摄像机对二次曲面的作用&摄像机中心的重要性
1.光滑曲面的图像
定义1: 轮廓生成元Γ\GammaΓ定义为影像射线与光滑曲面SSS的所有切点XXX的集合。在图像上,与它对应的视在轮廓线γγγ是XXX的图像点xxx 的集合,即γγγ是Γ\GammaΓ的图像。
- 轮廓生成元Γ\GammaΓ仅取决于摄像机中心与曲面的相对位置,而与图像平面无关。
- 视在轮廓线γγγ由图像平面与轮廓生成元的射线的相交确定,因此与图像平丽的位置有关。
2.射影摄像机对二次曲面的作用
二次曲面的正向投影
结论1 在摄像机矩阵PPP的作用下, 二次曲面QQQ的外形线是下式给定的一条二次曲线CCC:
C∗=PQ∗PTC^*=PQ^*P^TC∗=PQ∗PT
- 与二次曲面QQQ和中心为CCC的摄像机相对应的轮廓生成元Γ\GammaΓ的平面是πΓ=QC\pi _{\Gamma }=QCπΓ=QC
结论2 顶点为VVV并与二次曲面QQQ相切的锥面是一个退化的二次曲面
QCO=(VTQV)Q−(QV)(QV)TQ_{CO}=(V^TQV)Q-(QV)(QV)^TQCO=(VTQV)Q−(QV)(QV)T
3.摄像机中心的重要性
3 维空间的物体和摄像机中心确定了一个射线集合,而这些射线与一张平面的交就产生该物体的图像,这个集合通常称为射线锥。
假如射线锥与两张平面相交,那么所得两幅图像III和I′I'I′显然以一个透视映射相关联。因为摄像机有共同的中心,从而由这两个摄像机产生的3维空间点XXX 的图像点之问的关系如下:
x′=P′X=(K′R′)(KR)−1xx'=P'X=(K'R')(KR)^{-1}xx′=P′X=(K′R′)(KR)−1x
对应的图像点以一个形如x′=Hxx ' = H xx′=Hx的平面单应(3 x 3矩阵)相关联,其中H=(K′R′)(KR)−1H=(K'R')(KR)^{-1}H=(K′R′)(KR)−1
3.1移动图像平面
考虑焦距增加的情况,在一阶近似的精度下,它相当于图像平面沿主轴移动。
因子k=f′/fk=f'/fk=f′/f的变焦效果等于用diag(k,k,1)diag( k ,k , 1)diag(k,k,1)右乘摄像机标定矩阵KKK。
3.2摄像机旋转
摄像机在不改变它的内部参数的情况下绕它的中心旋转。如果点XXX在纯旋转前和后的图像是xxx和x′x'x′,那么:
x′=K[R∣0]X=KRK−1K[I∣0]X=KRK−1xx'=K[R|0]X=KRK^{-1}K[I|0]X=KRK^{-1}xx′=K[R∣0]X=KRK−1K[I∣0]X=KRK−1x
因此,x′=Hxx'=Hxx′=Hx,其中H=KRK−1H=KRK^{-1}H=KRK−1这种单应是一个共轭旋转。
3.3应用与举例
3.3.1视图合成
可以对现有的图像进行平面单应性的形变插补来产生新的图像,新的图像对应于不同的摄像机定向(但摄像机中心相同)。
- 计算把图像中的四边形映射回具有正确长宽比矩形的单应HHH。
- 用这个单应对原图像进行射影形变插补。
3.3.2平面全景拼图
摄像机绕其中心旋转所得到的一组图像之间以一个平面单应相关联。这样的一组图像可以通过射影形变插补与其中一幅图像的平面配准。
- 选择图像集合中的一幅作为参考图像。
- 在其余的图像中选一幅图像,计算把它映射到参考图像的单应HHH。
- 用得到的单应对这幅图像进行射影形变插补,并且用插补图像与参考图像的非重叠部分来扩大参考图像。
- 对图像集合中余下的图像重复上述最后两步过程。
3.4(简化的)射影记号
如果世界和图像点都选择规范的射影坐标那么摄像机矩阵:
P=(a00−d0b0−d00c−d)P=\begin{pmatrix}
a & 0 & 0 &-d \\
0 & b & 0 &-d \\
0 &0 & c & -d
\end{pmatrix}P=⎝⎛a000b000c−d−d−d⎠⎞
满足xi=PXix_i=PX_ixi=PXi和P(a−1,b−1,c−1,d−1)T=0P(a^{-1},b^{-1},c^{-1},d^{-1})^T=0P(a−1,b−1,c−1,d−1)T=0,后者表示摄像机中心是C=(a−1,b−1,c−1,d−1)TC=(a^{-1},b^{-1},c^{-1},d^{-1})^TC=(a−1,b−1,c−1,d−1)T
3.5移动摄像机中心
在第一幅视图中重合的两个3维空间点.郎在同一射线上的点。如果摄像机中心被移动了(没有沿着这条射线) ,那么其图像就不再重合了。原来是重合的图像点之间的相对位移称为视差。