SVD分解 三角测量

本文通过代码演示了如何使用SVD(奇异值分解)解决三角测量问题,涉及4x4矩阵A和SE3变换参数在相机投影下的应用。重点讲解了如何将像素坐标转换为世界坐标,并通过矩阵操作求解三维点的世界坐标,同时讨论了解质量判断标准。

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原理的推导这篇文章已经很详细了,

这里放一段带注释的代码,便于理解。

   //SVD解三角测量
   //A:4✖4, P:4x1(X,Y,Z,1)
   //在这里解释一下原理
   //point1(归一化像素坐标)= 1/s1*K*[I|0]*pt_world, point1 = (u1, v1)
   //point2(归一化像素坐标)= 1/s2*K*[R21|t]*pt_world, point2=(u2, v2) //相对坐标变换
   //pr1 = K*[I|0], pr2 = K[R21|t], 就是这里的pose
   //下面矩阵中的";"表示换行
   //写成行向量pr1 = [pr1,1; pr1,2; pr1,3], pr2 = [pr2,1; pr2,2; pr2,3]
   //所以上面的变换成了[s1u1; s1v1; s1] = [pr1,1; pr1,2; pr1,3]P1, point2一样
   //把s1 = pr1,3*P1代入前两行,消掉第3行,得到[pr1,3*P1*u1] = [pr1,1*P1],后面同样
   //把point1, point2的4个等式组合,得到
   //[pr1,3*u1 - pr1,1]
   //[Pr1,3*v1 - pr1,2] * P1 = 0, 左边4x4的矩阵就是函数中的A,pr为函数中的m
   //[pr2,3*u2 - pr2,1]
   //[pr2,3*v2 - pr2,2]
   inline bool triangulation(const vector<SE3> &poses, vector<Vec3> points, Vec3 &pt_world) {
       MatXX A(2 * poses.size(), 4);
       VecX b(2 * poses.size());
       b.setZero();
       for(size_t i = 0; i < poses.size(); i++) {
           Mat34 m = poses[i].matrix3x4();
           A.block<1, 4>(2 * i, 0) = points[i][0] * m.row(2) - m.row(0);
           A.block<1, 4>(2 * i + 1, 0) = points[i][1] * m.row(2) - m.row(1);
       }
       auto svd = A.bdcSvd(Eigen::ComputeThinU | Eigen::ComputeThinV);
       //A(4x4) = UWV^T, 即A[V1, V2, V3, V4] = U*diag(sigma1, sigma2, sigma3, sigma4), sigma4 = 0
       //满足A*V4 = 0, SVD分解得到的V矩阵的最后一列作为P1的解
       pt_world = (svd.matrixV().col(3) / svd.matrixV()(3, 3)).head<3>();

       if (svd.singularValues()[3] / svd.singularValues()[2] < 1e-2) {
           // 解质量不好,放弃
           return false;
       }
       return true;
   }
}
<think>好的,用户想了解双目相机三角测量的原理和实现方法。首先我需要回忆一下相关知识,确保自己理解正确。根据之前提供的引用内容,双目视觉测距基于三角形相似原理,还有三角测量是通过分析两个视角的图像来确定三维坐标。 先整理原理部分。引用[1]提到使用两个平行放置的相机,基线距离B,焦距f,实物点距离Z,通过视差来计算距离。这里的关键公式应该是Z = (B*f)/d,其中d是视差。需要解释清楚这个公式的来源,可能涉及相似三角形的推导。 然后是实现方法。引用[2]提到使用摄像机的内参和相对位姿,将像素坐标转换为三维射线,并求解交点。可能需要涉及坐标系的转换,比如将图像坐标通过内参矩阵转换到相机坐标系,再通过外参(旋转平移)转换到世界坐标系,然后找到两条射线的交点或最近点。 需要注意用户可能对具体的数学推导和代码实现感兴趣。在解释原理时,需要用LaTeX公式正确表达,比如内参矩阵、坐标变换公式等。同时,实现部分需要说明步骤,比如特征匹配、坐标转换、三角测量计算,可能还要提到最小二乘法求解超定方程。 还要考虑用户可能的疑问点,比如视差如何计算,基线距离的影响,匹配误差对结果的影响,以及如何优化精度。可能需要提到立体校正,使得两个相机的图像平面共面,这样视差只在水平方向,简化计算。 代码示例部分,用户可能希望看到不使用OpenCV的C语言实现,但Python的示例可能更容易理解。需要展示如何通过左右相机的像素坐标计算三维点,包括矩阵运算和最小二乘法的应用。 最后生成相关问题,需要覆盖原理的深入、实现细节、误差分析、优化方法以及应用场景,帮助用户进一步学习。 需要检查LaTeX格式是否正确,所有行内公式用$...$,独立公式用$$...$$,并且结构清晰,分点说明原理和步骤。确保引用标记正确放置在相关段落的末尾,比如在提到三角形相似原理时添加[^1],在涉及三维坐标转换时添加[^2]。</think>双目相机三角测量原理基于视差几何关系,通过双摄像机捕获同一场景的二维图像差异计算三维坐标。核心公式推导如下: $$Z = \frac{B \cdot f}{d}$$ 其中$B$为基线距离,$f$为焦距,$d=x_l - x_r$为视差值[^1] ### 实现步骤 1. **坐标系建立** - 世界坐标系$O_w$ - 左相机坐标系$O_l$,右相机坐标系$O_r$ - 图像坐标系$(u_l,v_l)$和$(u_r,v_r)$ 2. **参数矩阵** - 内参矩阵: $$K = \begin{bmatrix} f_x & 0 & c_x \\ 0 & f_y & c_y \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}$$ - 外参矩阵:$[R|t]$描述相机相对位姿 3. **坐标转换** $$s_l\begin{bmatrix}u_l \\ v_l \\ 1\end{bmatrix} = K[I|0]\begin{bmatrix}X \\ Y \\ Z \\ 1\end{bmatrix}$$ $$s_r\begin{bmatrix}u_r \\ v_r \\ 1\end{bmatrix} = K[R|t]\begin{bmatrix}X \\ Y \\ Z \\ 1\end{bmatrix}$$ 4. **三角测量解算** - 构造超定方程组 - 使用最小二乘法求解三维坐标: $$A = \begin{bmatrix} u_l \cdot r_{31} - f_x \cdot r_{11} & u_l \cdot r_{32} - f_x \cdot r_{12} & u_l \cdot r_{33} - f_x \cdot r_{13} \\ v_l \cdot r_{31} - f_y \cdot r_{21} & v_l \cdot r_{32} - f_y \cdot r_{22} & v_l \cdot r_{33} - f_y \cdot r_{23} \\ ...右相机方程... \end{bmatrix}$$[^2] ### Python实现示例 ```python import numpy as np def triangulate(pl, pr, Kl, Kr, R, t): """ pl/pr: 匹配点坐标(2x1) Kl/Kr: 内参矩阵(3x3) R,t: 右相机相对位姿 """ # 构造投影矩阵 Pl = Kl @ np.hstack([np.eye(3), np.zeros((3,1))]) Pr = Kr @ np.hstack([R, t.reshape(3,1)]) # 构建方程组 A = [ pl[0]*Pl[2,:] - Pl[0,:], pl[1]*Pl[2,:] - Pl[1,:], pr[0]*Pr[2,:] - Pr[0,:], pr[1]*Pr[2,:] - Pr[1,:] ] A = np.array(A) # SVD分解求解 _, _, V = np.linalg.svd(A) X = V[-1,:] return X[:3]/X[3] ``` ### 关键技术要点 1. **特征匹配**:需保证左右图像对应点的精确匹配 2. **立体校正**:使图像平面共面,简化视差计算 3. **误差处理**:采用RANSAC等算法消除误匹配 4. **深度精度**:与$B^2/Z^2$成正比,基线越大精度越高
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