像素坐标转世界坐标的计算

原理

下图表示了小孔成像模型(图片及公式参考 OpenCV官方资料

这个图里涉及4个坐标系:

  1. 世界坐标系:其坐标原点可视情况而定,可以表示空间的物体,单位为长度单位,比如MM(毫米),用矩阵[XWYWZW]表示;
  2. 相机坐标系:以摄像机光心为原点(在针孔模型中也就是针孔为中心),z轴与光轴重合,也就是z轴指向相机的前方(与成像平面垂直),x轴与y轴的正方向与世界坐标系平行,单位为长度单位,比如MM(毫米),用矩阵[XcYcZc]表示;
  3. 图像物理坐标系(也叫成像平面坐标系):用物理长度单位表示像素的位置,坐标原点为摄像机光轴与图像物理坐标系的交点位置,单位为长度单位,比如MM(毫米),用矩阵[xy]表示。
  4. 像素坐标系:坐标原点在左上角,以像素为单位,有明显的范围限制,即用于表示全画面的像素长和像素长宽,矩阵[uv]表示。

以下公式描述了[uv]T[xy]T[XcYcZc]T[XWYWZW]T之间的转换关系。

z[uv1]=[1/dx0cx01/dycy001][f000f0001][r11r12r13t1r21r22r23t2r31r32r33t3][XWYWZW1]

以上公式中,dxdy表示1个像素有多少长度,即用传感器的尺寸除以像素数量,比如2928.384um * 2205.216um的传感的分辨率为2592 * 1944,每个像素的大小即约1.12um。

由于相机与物体的视角来看,都是三维坐标,因此两者之间的变换只需要进行矩阵的旋转、平移即可达到坐标系转换的目的(不同坐标系中,物体的绝对大小并不会随着坐标系的变化而变化,因此不涉及缩放处理)。对于变换矩阵  [r11r12r13t1r21r22r23t2r31r32r33t3] 需要理解,矩阵是由 3*3 的旋转矩阵 r (rotation) 和 3*1的平移向量 t (translation)组成。

f表示焦距,在上图中,根据相似三角形,P点和p点具有以下关系:

Xcx=Ycy=Zcfx=Xc/(Zcf) y=Yc/(Zcf),可见:f越大,xy越大,Zc越大,xy越小。

cxcy表示中心点在像素坐标系中的位置。

要求像素坐标系中某像素点对应在世界坐标系中的位置,需要知道相机的内参、外参,相机的内参可以通过标定获得,外参可以人为设定。

第一步,将像素坐标变换到相机坐标系:

z[uv1]=[fx0cx0fycy001][xy1]=K[xy1]

两边乘以K的逆后推导出:

[xyz]=K1[uv1]

第二步,从相机坐标系变换到世界坐标系:

[XcYcZc]=R[XYZ]+t

将方程乘以R1,可以推导出:

[XYZ]=[XcYcZc]R1tR1=z[xy1]R1tR1

代码

通过输入相机的内参,旋转向量,平移向量和像素坐标,可以通过以下函数求出对应的世界坐标点。
以下代码中需求注意要对平移向量取转置,将1x3矩阵变为3x1矩阵后,才能实现3x3矩阵和3x1矩阵的乘法运算。

验证

先使用projectPoints生成像素点:

使用以下欧拉角:

对应的平移向量,表示空间坐标原点相对在相平面原点偏移x=134mm,y=132mm,z=200mm。

生成空间坐标点:

经projectPoints计算后对应的像素空间点是:

经函数求出的空间坐标点是:

可以对比按11*8格和30mm/格所生成空间坐标点结果,基本一致。

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