关于solvePNP的一点思考之二通过solvePnP求解相机位置

本文介绍了通过solvePnP函数获取相机位置的过程。详细说明了如何利用旋转向量和平移向量计算相机位置,并提供了两种确定相机朝向的方法。

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        在调用solvePnP函数之后会得到旋转向量rvec和平移向量tvec。确定相机位置就需要用到这两个向量。在介绍相机位置计算方法之前需要对solvePnP做简要介绍。与solvePnP函数有关的坐标系有三个,分别是世界坐标系(物体坐标系)、相机坐标系(以相机光心为原点的坐标系)、像素坐标系(图像坐标系)。solvePnP就是利用物体在像素坐标系的坐标和在世界坐标系的坐标的对应关系来求解相机位置的。

    在solvePnP调用结束后,需要使用罗德里格斯变化将旋转向量转换成旋转矩阵。此处旋转矩阵表示从相机坐标系到世界坐标系(物体坐标系)的旋转。此时可以直接由旋转矩阵和平移向量来计算相机位置:

                                                                        Pcam=-R' * t       

        此处R为旋转矩阵,tvec为旋转向量,即负的旋转矩阵的转置乘上平移向量。由于旋转矩阵的特性,此处也可以使用负的旋转矩阵的转逆乘上平移向量,但是由于求逆计算较为复杂,因此大多数情况下使用第一种方法。相机位置确定下来之后就要考虑相机朝向的问题了,相机朝向可由欧拉角来表示,由旋转矩阵获得欧拉角的方法我会放在我的GitHub主页上,感兴趣的可以去看一下,主要有两种方法,合成投影矩阵法以及旋转矩阵直接推到法。

    确定相机位置的另一种方法是先由旋转矩阵求出欧拉角,分别记作。相机坐标系按照z-y-x的顺序绕坐标轴旋转对应角度便达到与世界坐标系平行的位置,平移向量本身表示世界坐标系原点指向相机坐标系原点的向量,经过旋转,相机坐标系与世界坐标系平行,此时,平移向量便成为了相机在世界坐标系下的位置,将平移向量绕坐标轴反向旋转对应的欧拉角便可以求出此时相机在世界坐标系下的位置。

相关代码片段可以去我的GitHub主页上查找,https://github.com/lircsszz/

### 使用PNP算法与棋盘格标定相机位姿 #### 了解PNP问题及其应用背景 PNP (Perspective-N-Point)问题是计算机视觉领域中的一个重要课题,旨在通过已知世界坐标系下的若干三维点与其对应的二维图像平面位置来估计摄像机的姿态(旋转和平移)。此关键算法解决了N点透视投影问题[^1]。 #### 准备工作——获取高质量的标定点集 为了获得精确的结果,在准备阶段需注意几个方面: - **选择合适的棋盘格大小**:定义棋盘内角的数量以及单个方格的实际长度作为尺度参考。这有助于后续计算中保持比例关系的一致性[^2]。 - **拍摄多样化视角的样本图片**:确保所收集到的不同角度和距离上的多张照片能够充分覆盖目标物体周围的空间分布情况;特别强调的是要让这些视图尽可能地展示出不同的相对方位变化而不是简单的平行移动[^3]。 #### 实施过程详解 ##### 步骤说明(非正式表述) - 对于每一张输入图像执行特征检测操作找到所有可见的交界处并记录其像素坐标; - 将上述提取出来的2D点映射回它们各自的真实空间位置形成配对集合; - 应用优化技术最小化重投影误差从而得到最优解形式下的Rt矩阵表示法(即旋转向量加平移向量),进而完成对外参的具体求取任务。 ```python import cv2 import numpy as np def solve_pnp(object_points, image_points, camera_matrix, dist_coeffs): success, rvec, tvec = cv2.solvePnP( objectPoints=object_points, imagePoints=image_points, cameraMatrix=camera_matrix, distCoeffs=dist_coeffs ) if not success: raise Exception("Failed to estimate pose.") rotation_matrix, _ = cv2.Rodrigues(rvec) return rotation_matrix, tvec ``` 该函数接收四个参数:`object_points`(3D模型点)`image_points`(相应成像面上的位置)`camera_matrix`(内参阵列)`dist_coeffs`(畸变系数表)[^4] #### 结果验证与调整建议 一旦完成了初步估算,则可通过重新投射测试点的方式检验所得变换是否合理准确。如果发现偏差较大则考虑增加训练样本数量或是改进初始猜测值直至满足精度需求为止。
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