关于单应性矩阵的若干思考

2023-05-16

1 名词解释

        单应与射影变换是同义的。射影变换描述的是SE(2)到SE(2)的映射关系。映射与变换同义。

映射h:SE(2)到SE(2)是射影映射的充要条件是:存在一个3x3非奇异矩阵H,使得任何一个用矢量x表示的点都满足h(x) = Hx.

射影变换实际上是一个映射群,即射影变换群。射影变换群\supseteq仿射群\supseteq欧式群。因此单应性矩阵是可以描述仿射映射的。透视变换是一种特殊的射影变换,透视变换本身不构成透视变换群,即透视变换的复合不一定是透视变换,但属于射影变换。

 2 透视变换

        透视变换、透视投影、小孔摄影几何同义。如前所述平面的透视投影可用单应性矩阵 H 描述。

        消影点:直线上的无穷远处在图像上的投影点。

        消影线:平面的无穷远处在图像上的投影直线。

        消影点与消影线形成的根本原因是线/面上的点无法越过 经过投影中心且平行于该线/面的线/面 进行投影,亦即具有边界。

        消影线的求法:在摄像机欧氏坐标系下,平面集(法向量为n)的消影线是 I = K^(-T) n = K^(-T) · R · (0; 0; 1)。其中,n 为相机坐标系下的法向量表达,而不是世界坐标系,是图像平面上的直线,也就意味着 I 是图像坐标系下的方向向量,因此 I 的方程由 (u, v, 1) · I 给出

3 由(u,v)求相机在物平面上的正投影位置

        相机在物平面坐标系下的位置:分解H = K[r1, r2, t],其中R = [r1, r2, r3 = r1 x r2],则物平面坐标系下相机的位置Pc = -R^(-1)·t。

        相机在物平面坐标系下的正投影位置:

        1)去掉Pc的z维度;

        2)根据像素坐标反算。s(u, v, 1) = K R [0,0,0; 0, 0, 0;0, 0, 1]R^(-1) t 得到 (u, v),再通过 H 反算。这里的本意是想推导出(u, v) 无关于K R t 而只关于 H 的的表达式,但暂时没推出来;

        3)计算图像鸟瞰图的左右边界的交点。从实验中来看,好像是交点位置,但暂未从几何或代数上进行证明。

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