利用一条直线求解锥镜面折反射摄像机镜面参数的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用一条直线求解锥镜面折反射摄像机镜面参数的方法。首先，利用

Method for solving mirror parameters of cone mirror catadioptric mirror by using a straight line

The invention relates to a method for solving the mirror mirror parameter of a cone mirror catadioptric by a straight line. First, make use of

【技术实现步骤摘要】
利用一条直线求解锥镜面折反射摄像机镜面参数的方法
本专利技术属于计算机视觉领域，涉及一种利用直线与线像的系数求锥镜面折反射摄像机镜面参数的方法。
技术介绍
计算机视觉的是利用计算机软、硬件技术来实现、模拟人类的视觉对客观世界场景的感知、识别和理解的功能。它的中心任务就是对图像的形状、位置、运动的理解，利用三维物体的二维图像所包含的信息，获取三维物体的空间位置与形状等几何信息识别三维物体。在计算机视觉领域中，普通摄像机的可是范围小，成像角度有限，获取信息量少且有死角，所以不能很好地模仿人眼。随着科学技术的不断进步，全景系统应运而生。镜面和传统相机的结合产生了折反射摄像机，它是增加视场角的一种有效方式。组成折反射摄像机的反射镜面有多种类型，如平面、锥镜面、球镜面、抛物镜面、椭圆镜面（双曲镜面）等。根据折反射摄像机是否具有固定的有效视点，将折反射摄像机分为中心折反射和非中心折反射两类。无论哪种摄像机类型，都旨在获取全景图像，但相比中心折反射系统，非中心折反射系统镜面成本低，生产容易，投影的数学模型简单，在镜面的外围有更高的像素分辨率，降低里图像的光学畸变。锥镜面折反射摄像机是由一个锥镜面和一个传统摄像机组成，它的成像视场角灵活，分辨率高，是全景视觉领域研究的热点之一。1990年，文献“Panoramasceneanalysiswithconicprojection”，（YagiY,KawatoS.,ProceedingsofIEEEInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems,1990,1:181-187.）提出了基于锥镜面折反射系统成像模型，它是由一个透视摄像机和旋转对称的锥镜面组装而成。文献“Real-timeomnidirectionalimagesensorforvision-guidednavigation”，(YagiY,KawatoS,TsujiS.,IEEETransactionsonRoboticsandAutomation,1994,10(1):11-22)分析讨论了在锥镜面折反射系统下的投影关系，但并没有对锥镜面视点的轨迹与锥镜面对称的性质结合在一起进行分析和讨论，文献“Line-imagesinconemirrorcatadioptricsystems”,(Bermudez-CameoJ,Lopez-NicolasG,GuerreroJ.J.,Proceedingsofthe22ndInternationalConferenceonPatternRecognition,2014,1:2083-2088)得到了线像方程，并利用线像方程求得了镜面角，但并没有给出求镜面顶点到摄像机光心距离的方法，文献“Unitarytorusmodelforconicalmirrorbasedcatadioptricsystem”,(Lopez-NicolasG,SaguesC,ComputerVisionandImageUnderstanding,2014,126:67-79)根据单位球模型提出了单位环模型。
技术实现思路
本专利技术提供了一种制作简单，适用广泛，稳定性好的利用空间直线求解锥镜面折反射摄像机镜面参数的方法。在求解锥镜面折反射摄像机镜面参数过程中，需用锥镜面折反射摄像机拍摄空间直线的1幅图像便可线性求解出锥镜面折反射摄像机的2个镜面参数。本专利技术采用如下设计方案：本专利技术是由锥镜面折反射摄像机拍摄的空间直线求解锥镜面折反射摄像机的镜面参数，其特征在于利用直线的坐标及线像的系数。首先，利用中的函数从1幅图像上提取像点的像素坐标。其次，根据像点的像素坐标求得线像的系数及锥顶角（为锥镜面任一条母线与锥镜面旋转对称轴的夹角）。最后，求得空间直线的坐标以及镜面参数(锥镜面顶点到摄像机光心的距离)。具体的步骤包括：提取线像上的像点，确定线像的系数及锥顶角，求空间直线的坐标及锥镜面折反射摄像机的镜面参数。1.提取线像上的像点利用程序中的函数提取1幅图像中线像上的个像点的像素坐标。2.把像素坐标转换成摄像机内参数无关的坐标点图像物理坐标系下的点，最后经过内参数矩阵（本专利技术在内参数矩阵为已知的条件下进行）变换，其中，是纵横比，是有效焦距，是倾斜因子，是摄像机主点的齐次坐标矩阵，图像物理坐标系下的点则变成了图像像素坐标系下的点，点的坐标矩阵为，点和点的关系式为：。根据的表达式知可逆，则有。3.确定线像系数及锥顶角空间中的点在锥镜面折反射摄像机下空间点的投影，对应在锥镜面的投影为，锥镜面的顶点为，摄像机的中心，坐标轴在锥镜面对称轴上，轴在过原点的水平方向。根据Snell定律及锥面镜的特点，空间点的入射光线，锥面镜对称轴及折射光线在一个平面入射上，交投影面为，即空间点的成像点。在入射光线与折射光线形成的平面上，虚拟视点与对称于锥镜面的母线，交于点。入射光线与锥面镜对称轴的交点到的距离为，与夹角为。空间点对应的虚拟视点的轨迹圆垂直于对称轴并且圆心在上，半径及视点轨迹圆到锥镜面顶点的距离分别为：，其中为锥顶角的一半，为镜面参数，的距离为。根据空间两点确定一条直线或者利用直线的坐标表示则可以确定线段的直线方程，那么直线上任一点的坐标表示即可通过直线方程得到。由于虚拟视点的轨迹是以为半径的圆。像点对应的物理坐标系下的点的其次坐标矩阵为，其对应的极半径为：，其中，每个像点与像素坐标系中轴的夹角为：，。符号下标i无特别说明表示第i个，符号本身的意义不变。在三维射影空间中，设空间直线上的两个不同的点所对应的齐次坐标分别为，（其中）。则坐标被定义如下：，则，（，），减少可能性只有6个（4选2）独立变量。则六元组坐标满足方程：。则在相差一个比例因子的情况下，对于任一六元组坐标满足，都对应于三维空间中唯一的一类直线，即直线的坐标为：，（其中，）。设空间直线的坐标表示为，由两条直线坐标，相交有关系式:。入射光线的坐标表示为，其中，，，。根据入射光线和空间直线相交利用式则可以获线像方程为：，其中。把式带入到式中，通过利用极坐标化简得：，其中线像的系数，。设，则有。对进行SVD分解即可求得线像的系数。由得：，则可以估算锥镜面的顶角。4.求空间直线的坐标及锥镜面折反射摄像机的镜面参数将式和式代入式化简后得：，其中，。对进行分解即可求得空间直线的坐标。继续化简得到。可得到空间直线的坐标关系式：，可解出，即可以求得锥镜面参数。本专利技术优点：（1）对空间直线的物理尺度没有要求，无需知道空间直线在世界坐标系下的坐标。（2）利用了圆锥镜面投影的共轴性模型进行分析，简化了计算难度。附图说明图1是空间直线上的点在锥镜面折反射系统下投影的分析模型。具体实施方式本专利技术完成锥镜面折反射摄像机镜面参数求解需要经过以下步骤：提取摄像机投影平面上的点，并变换成不依赖与摄像机内参数的一条线像上的像点。求解空间直线的坐标以及线像的系数。利用线像的系数关系估算出镜面参数中的锥顶角，进而求得镜面参数。利用本专利技术中的方法对锥镜面折反射摄像机的镜面参数进行求解，具体步骤如下：1.提取线像上的像点利用程序中的函数Edge提取图像中线像上的个像点的像素坐标，。2.把像素坐标转换成摄像机内参数无关的坐标点如图1，空间中的点在锥镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用一条直线求解锥镜面折反射摄像机镜面参数的方法，其特征在于利用直线的

【技术特征摘要】
1.一种利用一条直线求解锥镜面折反射摄像机镜面参数的方法，其特征在于利用直线的坐标及线像的系数，所述方法的具体步骤包括：利用1幅图像上提取个像点坐标，其中；其次，根据像点的像素坐标求得线像的系数及锥顶角，为锥镜面任一条母线与锥镜面旋转对称轴的夹角；最后，求得空间直线的坐标以及锥镜面顶点到摄像机光心的距离的镜面参数；（1）把像素坐标转换成摄像机内参数无关的坐标点图像物理坐标系下的点，最后经过内参数矩阵，内参数矩阵为已知，其中，是纵横比，是有效焦距，是倾斜因子，是摄像机主点的齐次坐标矩阵，图像物理坐标系下的点则变成了图像像素坐标系下的点，点的坐标矩阵为，点和点的关系式为：；则有；（2）确定线像系数及锥顶角空间中的点在锥镜面折反射摄像机下空间点的投影，对应在锥镜面的投影为，锥镜面的顶点为，摄像机的中心，坐标轴在锥镜面对称轴上，轴在过原点的水平方向；根据Snell定律及锥面镜的特点，空间点的入射光线，锥面镜对称轴及折射光线在一个平面入射上，交投影面为，即空间点的成像点；在入射光线与折射光线形成的平面上，虚拟视点与对称于锥镜面的母线，交于点；入射光线与锥面镜对称轴的交点到的距离为，与夹角为；空间点对应的虚拟视点的轨迹圆垂直于对称轴并且圆心在上，半径及视点轨迹圆到锥镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵越，宫明志，史国伟，
申请(专利权)人：云南大学，
类型：发明
国别省市：云南,53