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反射折射二次曲线性质的研究及其应用
其他题名Properties of Central Catadioptric Quadratics and Their Applications to Camera Calibration
段慧仙
学位类型工学博士
导师吴毅红
2011-12-03
学位授予单位中国科学院研究生院
学位授予地点中国科学院自动化研究所
学位专业控制理论与控制工程
关键词中心反射折射摄像机 摄像机标定 中心反射折射二次曲线 几何元 对极图像点 Central Catadioptric Camera Camera Calibration Central Catadioptric Quadratics Geometric Elements Antipodal Image Points
摘要计算机视觉研究的主要内容是通过计算机分析景物的二维图像, 从中获取三维世界的结构和属性等信息,进而完成在特定环境下的特殊任务,理论研究主要概括为摄像机标定,运动分析,和三维重建三个方面。其中摄像机标定是计算机视觉任务中最基本和本质的部分。 此外,由于中心反射折射摄像机可以获得很大的视角,在视觉监控、虚拟现实和机器人导航等领域都有着很广泛的应用,因此中心反射折射摄像机的标定受到了越来越多的关注。然而由于反射折射摄像机存在大畸变,研究该摄像机的标定问题还存在很多困难。 本文针对基于几何元的中心反射折射摄像机标定方法进行了深入的研究,分析了现有方法存在的不足进而提出了一些新的标定方法。在本文中所完成的主要工作有: (1) 证明了圆在中心反射折射摄像机下的像为四次曲线,并且证明了该四次曲线根据圆的大小或所在位置的不同,可约化为点、直线及球在中心反射折射摄像机下的像。该结果中约化为点,直线和球与已有的结论是等价的,从而统一了点、直线、圆、球几何元在中心反射折射摄像机下的成像理论。此外,在该统一成像理论下,讨论了不同几何元在中心反射折射摄像机标定方面的应用。 (2) 提出了一种新的拟合直线像的方法,该方法可适用于包括抛物反射折射摄像机在内的所有中心反射折射摄像机,且实验验证了该算法优于文献中的主流方法。由于存在遮挡,正确地拟合中心反射折射直线的像是非常困难的。我们发现如果可见弧上图像点的对极点已知,可以大大提高中心反射折射直线像的拟合精度。基于这种想法,我们提出了一种新拟合直线像的方法。首先,推导出了一种新的关于对极点与摄像机主点之间的关系;其次,利用这种关系来拟合中心反射折射直线的像;最后通过拟合的直线像来估计摄像机的内参数。 另外,我们发现对于抛物反射折射摄像机,在直线像需要满足的充要条件基础上,直线的拟合可以进一步得到提高。 (3) 提出了一种基于球的抛物反射折射摄像机标定方法,解决了文献中利用球进行抛物反射折射摄像机标定的退化问题,完善了基于球的中心反射折射摄像机标定方法。该方法利用球在三个不同视角下的像即可标定摄像机的内参数,仅仅要求在某个视角下,抛物镜面的投影轮廓线在像平面上是可见的。从而根据球在中心反射折射摄像机下的成像过程可知,球在像平面上的射影是两条二次曲线,称为一对对极球图像,且这两条二次曲线可以看成是两个平行圆在一虚拟摄像机下的射影。即如果三对对极球图像已知的话,利用基于圆的透视摄像机标定方法即可估计反射折射摄像机的内参数。因此,标定抛物反射折射摄像机的问题转化为对极球图像的拟合问题。对此,我们研究 了在抛物反射折射摄像机下三对及三对以上对极球图像的性质。然后,利用这些性质来拟合对极球图像的方程,进而标定摄像机内参数。大量模拟实验和真实实验均验证了我们方法的有效性。 (4) 研究了圆在抛物反射折射摄像机下像的性质,给出了抛物反射折射圆像需要满足的条件。其次,研究了抛物反射折射圆像上点的对极图像点的性质。此外,还推导出了绝对二次曲线在中心反...
其他摘要Computer vision research is focused on recovering the structure and motion of 3D world from the 2D image of scene to go to perform some guided vision tasks. The theoretical main steps include camera calibration, motion analysis and 3D reconstruction, where camera calibration is the most basic and essential part. In many computer vision applications, such as visual surveillance, virtual reality and robot navigation, central catadioptric camera with quite a large field of view, is widely used. Therefore more and more attentions are paid to the central catadioptric camera calibration. However, due to the large distortions, there are still many difficulties on catadioptric camera calibration. In this thesis, we study the geometry of central catadioptric images and then propose some central catadioptric camera calibration methods. The following is our main work: (1) We prove that the central catadioptric projection of a circle is a quartic curve. Afterward, according to a circle with different size or location, we find that this quartic curve can also be reduced to the image of a point, line or sphere. The reduced result, being equivalent to the previous existing equations, and the circle imaging provides a unified imaging theory of different geometric elements. Then, under this unified imaging theory, we discuss the central catadioptric camera calibration based on different geometric elements. (2) We propose a new catadioptric line fitting method, which is suitable to all kinds of central catadioptric cameras and has higher accuracy than state of the art methods. Due to the partial occlusion,it is very difficult to correctly estimate the central catadioptric line image from its visible part. What's more, the existing method in the literatures cannot still solve this problem effectively. In addition, we find that if the antipodal points of image points on the visible arc are known, the fitting accuracy can be improved greatly. Based on this idea, we propose a new method for fitting line images, which can be applied to all central catadioptric projection. Firstly, a new relationship between a pair of antipodal image points and the camera principal point are derived. Next,using this relationship, a new method is proposed to estimate the line images. Finally, the camera intrinsic parameters are calibrated using the estimated conics. We also find under paracatadioptric camera, this method additionally with the necessary and sufficient conditions ...
馆藏号XWLW1707
其他标识符200818014628032
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/6408
专题毕业生_博士学位论文
推荐引用方式
GB/T 7714
段慧仙. 反射折射二次曲线性质的研究及其应用[D]. 中国科学院自动化研究所. 中国科学院研究生院,2011.
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