[發明專利]一種基于二次曲線透視投影不變性的單相機位姿估計方法

有效

• 申請號: 201611179244.6
• 申請日: 2016-12-19
• 公開（公告）號: CN106651950B
• 公開（公告）日: 2020-07-31
• 發明（設計）人: 張旭;程偉
• 申請（專利權）人: 華中科技大學無錫研究院
• 主分類號: G06T7/70
• 分類號: G06T7/70
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 孟金喆;胡彬

本發明公開一種基于二次曲線透視投影不變性的單相機位姿估計方法，包括如下步驟：S101、根據二次曲線對應信息，估計相機成像平面和空間平面對象之間的單應性矩陣。S102、根據所述單應性矩陣，求解出位姿參數中的旋轉矩陣和平移向量。本發明直接在二次曲線方程的基礎上估計位姿，縮短了誤差的傳遞鏈，提高了位姿估計方法的穩健性；將求解由非線性方程組求解轉化成線性方程組求解，無需構造非線性目標優化函數去求解，且能夠在線性算法時間復雜度O(n)中完成。

技術領域

本發明涉及計算機視覺領域，尤其涉及一種基于二次曲線透視投影不變性的單相機位姿估計方法。

背景技術

單相機位姿估計問題是計算機視覺、攝影測量學領域一個重要的研究問題。該問題的基本描述可以歸結為：已經圖像空間和物理空間的特征對應信息，求解兩個空間下定義的不同坐標系之間的位姿約束，即估計旋轉參數和平移參數。而單相機位姿估計方法的準確性直接影響到計算機視覺研究領域的視覺追蹤、攝影測量、相機標定等任務的完成質量。

由于在平面目標透視投影過程中，點、直線和二次曲線具有不變性，現有的單相機位姿估計方法所采用的特征對應信息主要有特征點對應性、特征直線對應性和特征二次曲線對應性三種。對于基于特征點對應性的估計方法，特征點對應信息的獲取容易收到圖像噪聲和像面坐標提取方法精度的影響，間接影響到了位姿估計的精度。文獻“Fast andGlobally Convergent Pose Estimation from Video Images”(C.P.Lu,G.D.Hager,andE.Mjolsness. IEEE Transactions on Pattern AnalysisMachine Intelligence,vol.22, pp.610-622,2000.)提出一種利用旋轉矩陣正交參數化，建立合適的目標函數。該方法估計精度高，計算效率高，對初值的依賴程度小。但是旋轉矩陣正交參數化容易受到輸入數據的噪聲的影響，導致其迭代過程退化。文獻“EPnP:An Accurate O(n)Solution tothe PnP Problem”(V.Lepetit,F. Moreno-Noguer,and P.Fua.International Journalof Computer Vision,vol. 81,pp.155-166,2009.)，該方法將輸入的實際控制點由四個虛擬控制點等價轉換，進而將問題歸結于估計四個虛擬控制點在相機坐標系下的坐標，其能夠在線性算法時間復雜度O(n)中完成，但是由于數據噪聲的影響，常常會出現多解的結果。對于基于特征直線對應性的估計方法，直線長度的不確定性導致了圖像上成像線段特征具有不確定性，同時，直線特征較為簡單，很容易受到環境中噪聲紋理誤檢測的影響。而相比于直線具有更高階次的二次曲線，如橢圓，其紋理特征相比直線更容易從環境紋理中識別分離出來，同時在特征提取方面，具有更穩健的特性。

發明內容

本發明的目的在于通過一種基于二次曲線透視投影不變性的單相機位姿估計方法，來解決以上背景技術部分提到的問題。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：

一種基于二次曲線透視投影不變性的單相機位姿估計方法，該方法包括如下步驟：

S101、根據二次曲線對應信息，估計相機成像平面和空間平面對象之間的單應性矩陣；

S102、根據所述單應性矩陣，求解出位姿參數中的旋轉矩陣和平移向量。

特別地，所述步驟S101包括：所述單應性矩陣指一個二維平面對象上的點與相機成像平面上的像點之間的映射關系；

相機的透視投影模型為：

其中，為相機坐標系下成像平面上點的齊次坐標，為世界坐標系下平面對象上點的齊次坐標；K是相機的內參數矩陣，其具體包括主點坐標、焦距參數，s為尺度因子；設[R t]為世界坐標系轉化到相機坐標系下的位姿參數；旋轉矩陣R可進行列向量的形式來表示，則：