攝影測量與計算機視覺 幾何差異和轉換

2021-07-29 22:16:05 字數 2367 閱讀 6545

隨著計算機視覺的發展,攝影測量和計算機視覺逐漸交叉融合,兩個不同學科之間的差異逐漸變小。但是在此處,博主仍舊想記錄一下兩個學科在幾何關係描述上的一些本質差異。

一、座標的幾何表示

首先,對於兩個領域來說,最為明顯的乙個差異就是對座標的表示方法。

在攝影測量中,通常直接直接使用二維座標或者三維座標對座標進行描述。而在計算機視覺中,通常情況下使用齊次座標對座標進行表述。

原則上說,兩種表述方法在本質上並沒有什麼區別。只不過在齊次座標下能夠將一系列變化(旋轉、平移、仿射等等)統一成矩陣相乘的形式,處理起來更加方便。但是,一般來說,直接使用座標進行描述,理解起來更加直觀。

下邊給出乙個示例,假設對二維點p 進行旋轉r 和平移t 。

對於攝影測量來說,此處可以簡單的把公式寫成: p′

=(λr

p+t)

p ′=

(λrp

+t)而對於計算機視覺來說,上述公式可以更簡單的寫成:

二、尤拉旋角和扭轉係數與四元數

第二個較為明顯的差異是兩者對旋轉矩陣的理解方式。在攝影測量中,通常是按照一定順序和方向在座標軸的方向上進行旋轉,進而得到旋轉矩陣。但是在計算機視覺中,最為普遍常用的方法是扭轉係數和四元數。不過需要注意的是,無論是使用那種表達方式,得到的旋轉矩陣都應該是一樣的。

攝影測量的尤拉旋角

首先介紹一下攝影測量中的尤拉旋角,常見的旋轉體系有opk和pok。值得注意的是,在攝影測量中通常是通過旋轉座標軸來定義旋轉角的,而在公式表達時是則是在旋轉座標的角度上來寫的。

opk是國際上較為通用的一種旋轉體系,其中旋轉順序是x–>y–>z,旋轉方向均以逆時針旋轉為正。而pok是國內較為通用的一套旋轉體系,其中旋轉順序是y–>x–>z,旋轉方向除y軸外都是逆時針旋轉為正。

此處我們用opk寫出乙個示例,假設要從座標系a旋轉到座標系b,則旋轉矩陣可以寫成: pa

=rxr

yrzp

b pa=

rxry

rzpb

其中,papa

、pb p

b分別是兩個座標系下的座標,描述的是如何按照opk的順序從a旋轉到b。

我們可以把上式展開,如下圖所示的公式:

此處,我們也給出如何從旋轉矩陣恢復opk的公式,如下:

計算機視覺中的旋角系統

相比而言,計算機視覺中的旋角系統定義比較複雜,比較難理解。扭轉係數可以理解成繞某乙個三維向量旋轉乙個角度,來描述三維旋轉。四元數是在扭轉係數的基礎上推導出的一種旋轉表達方式。

由於這兩種旋轉表達方式並不需要指定旋轉軸等等,我們直接給出其和旋轉矩陣之間的關係式:

當然,如果想從旋轉矩陣恢復四元數,上述公式已經可以完成。但是如果想從旋轉矩陣恢復扭轉係數,則還需要用到四元數和扭轉係數之間的關係式:

最後關於兩種旋轉表達的優缺點,我就不再累贅,可以參考huang9012的部落格。但是此處我只說尤拉公式中兩個我經常遇到的缺點:

1.opk的旋轉矩陣比較難以求導,求導公式較為複雜;

2.opk的旋轉矩陣在矩陣連乘時很容易失去正定性,計算誤差導致的。

三、共線方程與小孔成像

最後說兩個領域中,成像模型的一些差異問題。首先給出兩個圖,分別表示的是攝影測量和計算機視覺中關於成像模型的表述方式。

攝影測量

計算機視覺

仔細觀察兩幅圖,我們可以發現兩個明顯的區別:

四、空三結果的互相轉換

由於現在攝影測量和計算機視覺的交叉發展,如何進行將兩種空三結果進行相互轉換就非常重要。其實也非常簡單,推導如下(為推導方便,此處統一不適用齊次座標系):

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