[发明专利]一种基于二次曲线透视投影不变性的单相机位姿估计方法

说明书

本发明公开一种基于二次曲线透视投影不变性的单相机位姿估计方法，包括如下步骤：S101、根据二次曲线对应信息，估计相机成像平面和空间平面对象之间的单应性矩阵。S102、根据所述单应性矩阵，求解出位姿参数中的旋转矩阵和平移向量。本发明直接在二次曲线方程的基础上估计位姿，缩短了误差的传递链，提高了位姿估计方法的稳健性；将求解由非线性方程组求解转化成线性方程组求解，无需构造非线性目标优化函数去求解，且能够在线性算法时间复杂度O(n)中完成。

技术领域

本发明涉及计算机视觉领域，尤其涉及一种基于二次曲线透视投影不变性的单相机位姿估计方法。

背景技术

单相机位姿估计问题是计算机视觉、摄影测量学领域一个重要的研究问题。该问题的基本描述可以归结为：已经图像空间和物理空间的特征对应信息，求解两个空间下定义的不同坐标系之间的位姿约束，即估计旋转参数和平移参数。而单相机位姿估计方法的准确性直接影响到计算机视觉研究领域的视觉追踪、摄影测量、相机标定等任务的完成质量。

由于在平面目标透视投影过程中，点、直线和二次曲线具有不变性，现有的单相机位姿估计方法所采用的特征对应信息主要有特征点对应性、特征直线对应性和特征二次曲线对应性三种。对于基于特征点对应性的估计方法，特征点对应信息的获取容易收到图像噪声和像面坐标提取方法精度的影响，间接影响到了位姿估计的精度。文献“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.)提出一种利用旋转矩阵正交参数化，建立合适的目标函数。该方法估计精度高，计算效率高，对初值的依赖程度小。但是旋转矩阵正交参数化容易受到输入数据的噪声的影响，导致其迭代过程退化。文献“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.)，该方法将输入的实际控制点由四个虚拟控制点等价转换，进而将问题归结于估计四个虚拟控制点在相机坐标系下的坐标，其能够在线性算法时间复杂度O(n)中完成，但是由于数据噪声的影响，常常会出现多解的结果。对于基于特征直线对应性的估计方法，直线长度的不确定性导致了图像上成像线段特征具有不确定性，同时，直线特征较为简单，很容易受到环境中噪声纹理误检测的影响。而相比于直线具有更高阶次的二次曲线，如椭圆，其纹理特征相比直线更容易从环境纹理中识别分离出来，同时在特征提取方面，具有更稳健的特性。

发明内容

本发明的目的在于通过一种基于二次曲线透视投影不变性的单相机位姿估计方法，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于二次曲线透视投影不变性的单相机位姿估计方法，该方法包括如下步骤：

S101、根据二次曲线对应信息，估计相机成像平面和空间平面对象之间的单应性矩阵；

S102、根据所述单应性矩阵，求解出位姿参数中的旋转矩阵和平移向量。

特别地，所述步骤S101包括：所述单应性矩阵指一个二维平面对象上的点与相机成像平面上的像点之间的映射关系；

相机的透视投影模型为：

其中，为相机坐标系下成像平面上点的齐次坐标，为世界坐标系下平面对象上点的齐次坐标；K是相机的内参数矩阵，其具体包括主点坐标、焦距参数，s为尺度因子；设[R t]为世界坐标系转化到相机坐标系下的位姿参数；旋转矩阵R可进行列向量的形式来表示，则：