專利名稱：一種基于平行平面和無窮遠(yuǎn)點的仿射重構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計算機(jī)視覺中的三維重建的領(lǐng)域，是一種利用一組平行平面和一對無窮遠(yuǎn)點來對空間物體仿射重構(gòu)的新方法。
背景技術(shù)：
三維重建是計算機(jī)視覺領(lǐng)域中一個重要的研究領(lǐng)域，它是指從兩幅或者多幅圖像的像點坐標(biāo)來恢復(fù)與之對應(yīng)的空間點的世界坐標(biāo)，即，恢復(fù)物體的三維空間結(jié)構(gòu)。一般來說，在攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)不變的情況下，重構(gòu)的框架可以分為兩大類第一類是基于基本矩陣和對極幾何來計算內(nèi)參數(shù)，最常見的是在兩幅圖像之間建立Kruppa方程；第二類是分層逐步自標(biāo)定重構(gòu)，即首先對序列圖像做射影重構(gòu)，在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)行仿射重構(gòu)和歐式重構(gòu)。由于三維重建涉及到計算機(jī)視覺，計算機(jī)圖形學(xué)，圖像處理，虛擬現(xiàn)實等技術(shù)領(lǐng)域，因此，近些年一直是研究的熱點。目前對其的研究主要是從特征檢測，特征點匹配和攝像機(jī)標(biāo)定這3個方面進(jìn)行的。在分層重構(gòu)過程中，射影重構(gòu)的關(guān)鍵是確定基本矩陣，仿射重構(gòu)則是確定無窮遠(yuǎn)平面的單應(yīng)矩陣，而度量重構(gòu)一般則是在仿射重構(gòu)的基礎(chǔ)之上來完成的。三維重建的過程就是根據(jù)上述的方法來確定攝像機(jī)外部參數(shù)的過程，即物體空間點的世界坐標(biāo)。隨著計算機(jī)視覺技術(shù)的不斷發(fā)展，三維重構(gòu)技術(shù)也出現(xiàn)了多種多樣的算法。1992年Hartley和Faugeras提出了由未標(biāo)定的圖像序列進(jìn)行三維重構(gòu)的算法，即先僅由二維圖像上的對應(yīng)點對三維物體進(jìn)行射影重構(gòu)，然后根據(jù)場景信息、攝像機(jī)的運(yùn)動參數(shù)信息進(jìn)行仿射重構(gòu)，最后由攝像機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息得到度量重構(gòu)。文獻(xiàn)“基于兩幅圖像的三維物體分層重構(gòu)”中(趙為民，梁棟，唐俊.計算機(jī)工程與應(yīng)用，2003，36 :78-80)提出了基于攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)不變的實驗靶標(biāo)為兩個長方體的分層重構(gòu)算法，其采用的內(nèi)參數(shù)模型是5參數(shù)模型，在攝像機(jī)標(biāo)定過程中至少需要兩幅圖像。文獻(xiàn)“由平行平面的投影確定無窮遠(yuǎn)平面的單應(yīng)矩陣”(孫鳳梅，胡占義，吳福朝.軟件學(xué)報，2003，14 (5) =936-948)中提出了利用平行平面來確定無窮遠(yuǎn)平面的單應(yīng)矩陣，進(jìn)而可以對三維物體直接仿射重構(gòu)，但是該文的算法是需要兩組平行平面，由于不是所有的物體都可以包含兩組平行平面，而有的空間物體只含有一組平行平面，所以這種算法具有一定的局限性，有待于進(jìn)一步研究。針對能否使用一幅圖像就可以線性的高精度的恢復(fù)物體的三維空間結(jié)構(gòu)，就是我們目前的研究重點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用了正三棱柱為靶標(biāo)，利用一組平行平面和一對無窮遠(yuǎn)點來線性的確定無窮遠(yuǎn)平面的單應(yīng)矩陣，進(jìn)而完成對空間物體的仿射重構(gòu)，該方法具有運(yùn)算簡單，且精度較聞等優(yōu)點。本發(fā)明的技術(shù)解決方案 一種基于平行平面和無窮遠(yuǎn)點的仿射重構(gòu)的方法，其主要是用于包含一組平行平面和一對無窮遠(yuǎn)點的場景中，我們?nèi)鼍爸兴囊唤M平行平面，利用單應(yīng)矩陣對無窮遠(yuǎn)平面形成一個約束，然后在利用無窮遠(yuǎn)點來完成無窮遠(yuǎn)單應(yīng)的求解，最后利用三角原理來確定空間點的世界坐標(biāo)，進(jìn)而完成仿射重建。具體步驟包括平行平面所對應(yīng)的單應(yīng)矩陣的求解，無窮遠(yuǎn)單應(yīng)矩陣的求解和空間點的世界坐標(biāo)的求解。(I)計算平行平面所對應(yīng)的單應(yīng)矩陣對任一平面中任意四點，其中三點不共線的，分別找到其在兩幅圖像上的所對應(yīng)的象點，利用m2 = Hm1，求出H，則H即為平面所對應(yīng)的單應(yīng)矩陣。(2)利用平行平面的單應(yīng)矩陣來求解a (a = rTn)根據(jù)前面知識單應(yīng)矩陣可以表示為:
權(quán)利要求
1 一種基于平行平面和無窮遠(yuǎn)點的仿射重構(gòu)的方法。該方法的特征在于場景中包含一組平行平面和一對無窮遠(yuǎn)點，我們根據(jù)一對平行平面可以求出其對應(yīng)的單應(yīng)矩陣，利用無窮遠(yuǎn)點可以對無窮遠(yuǎn)單應(yīng)矩陣形成約束，將上面的結(jié)合在一起就可以求解出無窮遠(yuǎn)單應(yīng)矩陣。最后，根據(jù)所求出的無窮遠(yuǎn)單應(yīng)構(gòu)建攝像機(jī)矩陣，求出空間點的世界坐標(biāo)，進(jìn)而完成放射重建。具體步驟包括所需平行平面的單應(yīng)矩陣的求解，利用無窮遠(yuǎn)點的約束和平行平面的單應(yīng)矩陣來求解無窮遠(yuǎn)單應(yīng)矩陣，空間點的世界坐標(biāo)的求解。
(I)利用無窮遠(yuǎn)點的約束和平行平面的單應(yīng)矩陣來求解無窮遠(yuǎn)單應(yīng)矩陣 設(shè)一組平行平面所對應(yīng)的單應(yīng)矩陣分別是H1，H2，則存在非零常數(shù)Sl，s2, fyJ 使得:SiH' =HX+K~^K1 ’s2H2 =HjKtK ' ’ CllCl2 將上面兩個式子做差，可以得到好1 +e{^dy dl) a)T =H2， 則上式可以轉(zhuǎn)化為xtf+e' yT = H2，利用線性方程組可以求出x，y，在相差一個非零常數(shù)因子的意義下可以線性確定向量a， 另外在設(shè)P，P'為圖像上相對應(yīng)的無窮遠(yuǎn)點，其坐標(biāo)分別為P= (U，V，I)，P' = (u'，V'，1)，則滿足 P' =H00P; tyJ XslH1 = Hx +K^K-1 =Hx + Zey7 , Cll所以 H00= S1H1- Xe' yT, 故有P' =H00P= (S1H1-Ae' yT)P;這樣在利用一組無窮遠(yuǎn)點的像點坐標(biāo)就可以線性的確定S1和\ ;進(jìn)而可以求解出無窮遠(yuǎn)單應(yīng)矩陣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于平行平面和無窮遠(yuǎn)點的仿射重構(gòu)的方法，對場景中包含一組平行平面和一對無窮遠(yuǎn)點的情況實現(xiàn)仿射重構(gòu)，拍攝兩幅包含三個可視面(其中一組為平行平面)的圖像；提取圖像中所需各點的圖像坐標(biāo)，確定場景中平行平面所對應(yīng)的單應(yīng)矩陣，在利用無窮遠(yuǎn)點對無窮遠(yuǎn)單應(yīng)矩陣的約束，建立對無窮遠(yuǎn)單應(yīng)的線性約束方程，并線性解出該矩陣。最后，建立攝像機(jī)矩陣，求出空間點的世界坐標(biāo)，完成對場景中物體的仿射重建。本發(fā)明在求解過程中所涉及的運(yùn)算，全部是線性運(yùn)算，避免了一定的誤差，具有一定的精度。
文檔編號G06T17/00GK102682468SQ20111006108
公開日2012年9月19日 申請日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月15日
發(fā)明者王慧, 胡曉華, 趙越 申請人:云南大學(xué)