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1、第三节第三节 视觉系统的几何特性视觉系统的几何特性3.20(3 lectures)引言引言3.22(2 lectures)视觉基本特性视觉基本特性I生物特性生物特性3.27(3 lectures)视觉基本特性视觉基本特性II物理特性物理特性3.29(2 lectures)视觉基本特性视觉基本特性III几何特性几何特性4.3(3 lectures)图像处理基础图像处理基础I空域处理空域处理4.5(2 lectures)图像处理基础图像处理基础II频域处理频域处理4.10(3 lectures)特征提取特征提取I点特征点特征4.12(2 lectures)特征提取特征提取II边缘及线特征边缘及线特
2、征 在任何特定的理论中，只有其中在任何特定的理论中，只有其中包含数学的部分才是真正的科学。包含数学的部分才是真正的科学。康德 相关的数学基础相关的数学基础o 齐次坐标齐次坐标o 射影几何射影几何o 2D变换变换o 3D变换变换o 相机内参数相机内参数o 预备知识预备知识1 1、点的齐次坐标、点的齐次坐标二个齐次坐标如相差一个非零因子，则这二二个齐次坐标如相差一个非零因子，则这二个齐次坐标相同个齐次坐标相同1vuvu2 2、无穷远直线上的点、无穷远直线上的点如点如点 为无穷远直线上的点，为无穷远直线上的点，则则 t t=0=0tvu1.1.齐次坐标齐次坐标3 3、直线的齐次坐标表示、直线的齐次坐
3、标表示 直线方程可表示为直线方程可表示为 规范化直线参数向量后，规范化直线参数向量后，直线的齐次坐标直线的齐次坐标可表示为：可表示为：1.1.齐次坐标齐次坐标3 3、通过二点的直线、通过二点的直线 如果如果 为二图象点，则通过为二图象点，则通过该二点的直线的参数向量为：该二点的直线的参数向量为：12112212,uuxvxvtt21xxL0021xLxLTTL Lx x1 1x x2 21.1.齐次坐标齐次坐标4 4、二次圆锥曲线的齐次坐标表示为：、二次圆锥曲线的齐次坐标表示为：1.1.齐次坐标齐次坐标2.2.2D变换变换2D 变换的基本组合变换的基本组合2D2D变换变换 2D 2D平移变换可
4、描述为：平移变换可描述为：或者：或者：2D 2D旋转、平移变换可描述为：旋转、平移变换可描述为：2D2D变换变换 2D 2D旋转、平移、尺度变换可描述为：旋转、平移、尺度变换可描述为：2D 2D仿射变换可描述为：仿射变换可描述为：2D 2D透视变换可描述为：透视变换可描述为：2D2D变换的层次变换的层次3.3.3D变换变换3D 变换的层次变换的层次三维刚体变换三维刚体变换tRpp12zzzyzxyzyyyxxzxyxxrrrrrrrrrR其中其中 p p点在第一个视场中的坐标点在第一个视场中的坐标p1p1通过旋转和平移，通过旋转和平移，变换到第二个视场中的坐标变换到第二个视场中的坐标p2p2
5、Tzyxttt),(t旋转矩阵旋转矩阵 用直角坐标系中的欧用直角坐标系中的欧拉角描述空间角拉角描述空间角 光轴俯仰角光轴俯仰角(pitch)(pitch)：绕绕x x轴的旋转角轴的旋转角 光轴偏航角光轴偏航角(yaw)(yaw)：绕：绕y y轴的旋转角轴的旋转角 光轴扭转角光轴扭转角(twist)(twist)：绕绕z z轴的旋转角轴的旋转角旋转矩阵旋转矩阵coscoscossinsincossinsinsincoscoscossinsinsinsincossinsincossincossincoscossinsincoscoszzzyzxyzyyyxxzxyxxrrrrrrrrrzzzyzx
6、yzyyyxxzxyxxrrrrrrrrrR数值解不稳定性数值解不稳定性单位正交矩阵单位正交矩阵旋转轴旋转轴o坐标系的旋转可视为逆时针绕单位矢坐标系的旋转可视为逆时针绕单位矢量量 的旋转的旋转.o直接使用旋转轴和旋转角来产生令人直接使用旋转轴和旋转角来产生令人满意的数值解满意的数值解 (,)xyzn n n旋转矩阵旋转矩阵基于齐次坐标系，基于齐次坐标系，3D3D旋转可以由坐标轴旋转可以由坐标轴n n和转角和转角描描述，或者等效描述为：述，或者等效描述为：旋转矩阵旋转矩阵对于向量对于向量v v旋转旋转9090度度,等效于做一次叉乘：等效于做一次叉乘：当转角当转角很小时，可以简化为很小时，可以简化
7、为单位四元数单位四元数o单位圆上任意一点对应一个旋转角单位圆上任意一点对应一个旋转角o单位球上任意一点对应两个旋转角单位球上任意一点对应两个旋转角 ),(yx四元数四元数o四维单位球可以表示三维空间中的三四维单位球可以表示三维空间中的三个旋转角个旋转角123222120qqqq 一个旋转矩阵对应四维单位球上一点一个旋转矩阵对应四维单位球上一点 222123201032203110322321222030212031302123222120 2 22 22 2 qqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqqR四元数四元数 设旋转轴的单位矢量为设旋转轴的单位矢量为 绕该
8、轴逆时针旋转角绕该轴逆时针旋转角 的单位四元数为：的单位四元数为：,xyzn n n则旋转轴单位矢量可以表示为：则旋转轴单位矢量可以表示为：xyznnnijk0cossin22xyzxyzqnnnqqqqijkijk四元数四元数o 四元数乘法定义四元数乘法定义),(00000000qrqrqrqrqrqrqrqrqrqrqrqrqrqrqrqrzxyyxzxzyzxyyzzyxxzzyyxxrq6543210,qqqqqqqo 刚体变换可以很方便地用七个元素表示刚体变换可以很方便地用七个元素表示 TqqqR65412,pqp4.射影几何射影几何o 一般的成象系统通常将三维场景变换成二维一般的成
9、象系统通常将三维场景变换成二维灰度或彩色图像，这种变换可以用一个从三灰度或彩色图像，这种变换可以用一个从三维空间到二维空间的映射来表示：维空间到二维空间的映射来表示：o 四维空间四维空间o 五维空间，更高维空间五维空间，更高维空间),(),(:23yxzyxRRf透视投影透视投影 o 透视投影透视投影(perspective projection)(perspective projection)是最常用的成像是最常用的成像模型，可以用针孔（模型，可以用针孔（pinholepinhole）成像模型来近似表）成像模型来近似表示示 o 透视投影方程：透视投影方程：o 点在图像平面中的位置点在图像平面
10、中的位置：zfyyxxxzfx yzfy o 正交投影（正交投影（orthogonal projectionorthogonal projection）指用平行于光）指用平行于光轴的光将场景投射到图像平面上轴的光将场景投射到图像平面上,因此也称为平行因此也称为平行投影（投影（parallel projectionparallel projection）o 投影方程为：投影方程为：正交投影正交投影 xx yy 5.5.相机内部几何参数相机内部几何参数o 单应矩阵单应矩阵（Homography matrix）o 内部矩阵内部矩阵（Intrinsic matrix）2D像素与像素与3D场景点关系场景
11、点关系Oc：镜头光心镜头光心Cs：图像坐标系原点图像坐标系原点Sx,Sy：像素间距像素间距Xs,Ys：图像平面图像平面2D像素与像素与3D场景点关系场景点关系Oc：镜头光心镜头光心Cs：图像坐标系原点图像坐标系原点Sx,Sy：像素间距像素间距Xs,Ys：图像平面图像平面Rs：3D旋转旋转Ms：单应矩阵单应矩阵相机内部参数矩阵相机内部参数矩阵K1.1.摄像机常数摄像机常数：投影中心到摄像机平面的：投影中心到摄像机平面的距离，近似于透镜焦距长度距离，近似于透镜焦距长度2.2.主点主点：光轴与图像平面的交点，接近图：光轴与图像平面的交点，接近图像中心点像中心点3.3.透镜变形系数透镜变形系数 径向变
12、形：光线弯曲径向变形：光线弯曲 偏心：透镜中心偏离光轴偏心：透镜中心偏离光轴4.4.比例因子比例因子：行和列上的单位距离：行和列上的单位距离径向变形对称性示意图径向变形对称性示意图径向变形导致图像变形径向变形导致图像变形径向径向变形模型变形模型o变形的修正量用多项式建模变形的修正量用多项式建模 )1()(2(2)(2)()1)()(2)(2()(232221634221232221634221rpxxrpyyxxprrryyyrpyyxxpxxrprrrxxxppppppppo图像坐标可以修正为真实坐标图像坐标可以修正为真实坐标 yyyxxx径向变形径向变形切向变形切向变形6.6.对极几何对极
13、几何（Epipolar GeometryEpipolar Geometry)oIIMommeellN Nn一些预备知识一些预备知识基本矩阵基本矩阵(fundamental matrix)(fundamental matrix)的推导及形式的推导及形式 1110,0)(),(,1,1RKTKFFmmmRKTKmRXTmKTTRXKmKXmXPmXPmTTTTErElF F 的秩为的秩为2 2，F F在相差一个常数因子下是唯一确定的。在相差一个常数因子下是唯一确定的。F F 可以通过可以通过8 8对图象对应点线性确定。对图象对应点线性确定。本质矩阵本质矩阵（essential matrix）一些预备知识一些预备知识对极几何的一些代数性质对极几何的一些代数性质0FmnT基本矩阵和外极点的关系基本矩阵和外极点的关系0,0eFFeT0)(iTFme所有的外极线都过对应的外极点，外极点是光心连线所有的外极线都过对应的外极点，外极点是光心连线与图象平面的交点。对应外极线束构成一射影变换与图象平面的交点。对应外极线束构成一射影变换nFlFmlT如果如果 m m位于极线位于极线l l上，上，n n 位于极线位于极线l l上，上，m m,n n不一不一定是对应点定是对应点,下述关系仍然成立：下述关系仍然成立：
