利用三角测量计算帧间特征点的空间位置

需要安装opencv3中的features2d模块

    代码中的1.png

    代码中的2.png

// 来自高翔SLAM十四讲
#include<iostream>
#include<opencv2/core/core.hpp>
#include<opencv2/features2d/features2d.hpp>
#include<opencv2/highgui/highgui.hpp>
#include<opencv2/calib3d/calib3d.hpp>

using namespace std;
using namespace cv;

void find_feature_matches(
    const Mat& img_1,  const Mat& img_2,
    std::vector<KeyPoint>& keypoints_1,
    std::vector<KeyPoint>& keypoints_2,
    std::vector<DMatch>& matches);

void pose_estimation_2d2d(
    std::vector<KeyPoint> keypoints_1,
    std::vector<KeyPoint> keypoints_2,
    std::vector<DMatch> matches,
    Mat& R, Mat& t);

// 像素坐标转相机归一化坐标
Point2d pixel2cam(const Point2d& p, const Mat& K);

// 三角测量
void triangulation(
    const vector<KeyPoint>& keypoint_1,
    const vector<KeyPoint>& keypoint_2,
    const std::vector<DMatch>& matches,
    const Mat& R, const Mat& t,
    vector<Point3d>& points
);

int main(){
    // 读取图像
    Mat img_1 = imread("1.png",CV_LOAD_IMAGE_COLOR);
    Mat img_2 = imread("2.png", CV_LOAD_IMAGE_COLOR);

    vector<KeyPoint>keypoints_1, keypoints_2;
    vector<DMatch> matches;
    find_feature_matches(img_1, img_2, keypoints_1, keypoints_2, matches);
    cout<<"一共找到了"<<matches.size()<<"组匹配点"<<endl;

    // 估计两张图像之间的运动
    Mat R, t;
    pose_estimation_2d2d(keypoints_1, keypoints_2, matches, R, t);

    // 三角化
    vector<Point3d> points;
    triangulation(keypoints_1, keypoints_2, matches, R, t, points);

    // 验证三角化点与特征点的重影关系
    Mat K = (Mat_<double>(3,3) << 520.9, 0, 325.1, 0, 521.0, 249.7, 0, 0, 1);
    for(int i=0; i<matches.size(); i++){
        Point2d pt1_cam = pixel2cam(keypoints_1[matches[i].queryIdx].pt, K);
        Point2d pt1_cam_3d(
            points[i].x / points[i].z,
            points[i].y/ points[i].z
        );

        cout<<"point in the first camera frame : "<<pt1_cam<<endl;
        cout<<"point projected from 3D "<<pt1_cam_3d<<", d="<<points[i].z<<endl;

        // 第二个图
        Point2f pt2_cam = pixel2cam(keypoints_2[matches[i].trainIdx].pt, K);
        Mat pt2_trans = R * (Mat_<double>(3,1) << points[i].x, points[i].y, points[i].z) + t;
        pt2_trans /= pt2_trans.at<double>(2,0);
        cout<<"point in the second camera frame : "<<pt2_cam<<endl;
        cout<<"point reprohected from second frame : "<<pt2_trans.t()<<endl;
        cout<<endl;
    }

    return 0;
}

// 找到匹配的特征点
void find_feature_matches(const Mat& img_1, const Mat& img_2,
                                        std::vector<KeyPoint>& keypoints_1,
                                        std::vector<KeyPoint>& keypoints_2,
                                        std::vector<DMatch>& matches){
    // 初始化
    Mat descriptors_1, descriptors_2;
    Ptr<FeatureDetector>detector = ORB::create();
    Ptr<DescriptorExtractor>descriptor = ORB::create();
    Ptr<DescriptorMatcher> matcher = DescriptorMatcher::create("BruteForce-Hamming");   // 暴力匹配

    // 第一步:检测Oriented FAST角点位置
    detector->detect(img_1, keypoints_1);
    detector->detect(img_2, keypoints_2);

    // 第二步: 根据角点位置计算BRIEF描述子
    descriptor->compute(img_1, keypoints_1, descriptors_1);
    descriptor->compute(img_2, keypoints_2, descriptors_2);

    // 第三步:对两幅图像中的BRIEF描述子进行匹配,使用汉明距离
    vector<DMatch> match;
    matcher->match(descriptors_1, descriptors_2, match);

    // 第四步:对匹配点对进行筛选
    double min_dist = 10000, max_dist = 0;

    // 找出所有匹配之间的最小距离和最大距离
    // 即是最相似和最不相似的两组点之间的距离
    for(int i=0; i<descriptors_1.rows; i++){
        double dist = match[i].distance;
        min_dist = min_dist<dist?min_dist:dist;
        max_dist = max_dist>dist?max_dist:dist;
    }
    printf("--Max dist : %f\n", max_dist);
    printf("--Min dist : %f \n", min_dist);

    // 当描述子之间的距离大于两倍的最小距离时,即认为匹配有误
    // 设置30为阈值
    for(int i=0; i<descriptors_1.rows; i++){
        if(match[i].distance <= max(2*min_dist, 30.0)){
            matches.push_back(match[i]);
        }
    }
}

Point2d pixel2cam(const Point2d& p, const Mat& K){
    return Point2d(
        (p.x - K.at<double>(0,2))/K.at<double>(0,0),
        (p.y - K.at<double>(1,2))/K.at<double>(1,1)
    );
}

void pose_estimation_2d2d(std::vector<KeyPoint>keypoints_1,
                                                std::vector<KeyPoint>keypoints_2,
                                                std::vector<DMatch>matches,
                                                Mat&R ,Mat& t){
    // 相机内参,TUM Feriburg2
    Mat K = (Mat_<double>(3,3) << 520.9, 0, 325.1, 0, 521.0, 249.7, 0, 0, 1);

    // 把匹配点转化为vector<Point2f>的形式
    vector<Point2f>points1;
    vector<Point2f>points2;

    for(int i=0; i<(int)matches.size(); i++){
        points1.push_back(keypoints_1[matches[i].queryIdx].pt);
        points2.push_back(keypoints_2[matches[i].trainIdx].pt);
    }

    // 计算基础矩阵:使用的8点法,但是书上说8点法是用来计算本质矩阵的呀,这两个有什么关系吗
    Mat fundamental_matrix;
    fundamental_matrix = findFundamentalMat(points1, points2, CV_FM_8POINT);
    cout<<"fundamental_matrix is "<<endl<<fundamental_matrix<<endl;

    // 计算本质矩阵:是由对极约束定义的:对极约束是等式为零的约束
    Point2d principal_point(325.1, 249.7);  // 相机光心,TUM dataset标定值
    double focal_length = 521;      // 相机焦距,TUM dataset标定值
    Mat essential_matrix;
    essential_matrix = findEssentialMat(points1, points2, focal_length, principal_point);
    cout<<"essential_matrix is "<<endl<<essential_matrix<<endl;

    // 计算单应矩阵:通常描述处于共同平面上的一些点在两张图像之间的变换关系
    Mat homography_matrix;
    homography_matrix = findHomography(points1, points2, RANSAC, 3);
    cout<<"homography_matrix is "<<endl<<homography_matrix<<endl;

    // 从不本质矩阵中恢复旋转和平移信息
    // 这里的R,t组成的变换矩阵,满足的对极约束是:x2 = R * x1 + t,是第一个图到第二个图的坐标变换矩阵x2 = T21 * x1
    recoverPose(essential_matrix, points1, points2, R, t, focal_length, principal_point);
    cout<<"R is "<<endl<<R<<endl;
    cout<<"t is "<<endl<<t<<endl;
}

void triangulation(
    const vector<KeyPoint>& keypoint_1,
    const vector<KeyPoint>& keypoint_2,
    const std::vector<DMatch>& matches,
    const Mat& R, const Mat& t,
    vector<Point3d>& points){

    Mat T1 = (Mat_<float>(3,4) << 
                    1, 0, 0, 0,
                    0, 1, 0, 0,
                    0, 0, 1, 0);
    Mat T2 = (Mat_<float>(3,4) << 
                    R.at<double>(0,0),  R.at<double>(0,1),  R.at<double>(0,2),  t.at<double>(0,0),
                    R.at<double>(1,0),  R.at<double>(1,1),  R.at<double>(1,2),  t.at<double>(1,0),
                    R.at<double>(2,0),  R.at<double>(2,1),  R.at<double>(2,2),  t.at<double>(2,0)
                    );
    
    Mat K = (Mat_<double>(3,3) << 520.9, 0, 325.1, 0, 521.0, 249.7, 0, 0, 1);
    vector<Point2f> pts_1, pts_2;
    for(DMatch m:matches){
        // 将像素坐标转换至相机坐标
        pts_1.push_back(pixel2cam(keypoint_1[m.queryIdx].pt, K));
        pts_2.push_back(pixel2cam(keypoint_2[m.trainIdx].pt, K));
    } 

    Mat pts_4d;
    cv::triangulatePoints(T1, T2, pts_1, pts_2, pts_4d);

    // 转换成非齐次坐标
    for(int i=0; i<pts_4d.cols; i++){
        Mat x = pts_4d.col(i);
        x /= x.at<float>(3,0);  // 归一化
        Point3d p(
            x.at<float>(0,0),
            x.at<float>(1,0),
            x.at<float>(2,0)
        );
        points.push_back(p);
    }
}

 

### 三角测量原理 三角测量是一种基于几何光学的方法,用于确定空间中某一相对于已知位置的坐标。该方法的核心在于利用两个或多个观测的角度差异来计算目标物体的位置[^3]。 在实际操作过程中,当从不同的视角观察同一特征点时,可以构建一系列方程组求解未知参数。对于计算机视觉而言,通常会借助摄像机获取图像数据作为输入源,并通过匹配算法识别共同存在的兴趣区域。一旦找到这些对应关系,则可以根据内外方位元素以及基线长度完成三维重建工作[^1]。 #### 数学表达式 设 \( P \) 是待测的空间,在左摄像头下的投影为 \( p_l(x_1,y_1)^T \),右摄像头下对应的投影为\(p_r (x_2 , y_2 )^ T\) ,则存在如下关系: \[ d = B * f / disparity \] 其中, - \( d \): 物体到相机平面的实际距离; - \( B \): 双目系统的基线宽度; - \( f \): 相机焦距; - `disparity`: 左右视图同名像沿水平方向上的偏移量; ```python def calculate_distance(baseline, focal_length, disparity): """ 计算给定条件下物体至相机的距离 参数: baseline -- 测量设备距(单位:米) focal_length -- 使用镜头的有效焦距(单位:毫米) disparity -- 同一场景对象于左右影像内的横向位差(像素数) 返回值: distance -- 对象离传感器表面的真实隔(单位:米) """ # 将所有物理尺寸转换成相同度量体系以便运算 fl_meters = focal_length / 1000 disp_mm = disparity * (fl_meters / sensor_width_in_pixels) return baseline * fl_meters / disp_mm ``` ### 应用场景 #### SLAM系统中的应用 同步定位与地图绘制(Simultaneous Localization And Mapping,简称SLAM),旨在让机器人能够在完全陌生环境中自主导航的同时创建环境的地图模型。在此类任务里,三角化技术被广泛采纳用来估算关键共有的地标坐标的相对变化情况,进而辅助姿态跟踪和路径规划等功能模块的工作效率提升。 #### 双目立体视觉 双目视觉模仿人类双眼感知世界的方式,依靠一对平行排列的小孔径透镜捕捉外界景象形成二维图片序列之后再经由后续处理单元解析出深度信息。此方案不仅成本低廉而且易于实施部署,因此成为消费级电子产品中最受欢迎的选择之一[^2]。 #### 工业自动化检测 激光三角测量法则是在特定场合下执行精确测量的理想工具,尤其是在那些需要保持较高精度标准的任务当中。比如电子制造业里的PCB板缺陷筛查或者汽车生产线零部件装配质量检验等方面均可见其身影活跃其[^4]。
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