基于对称重复纹理的摄像机位姿测量方法

摘要

摄像机位姿测量技术是摄影测量学和计算机视觉领域一个重要的基础问题，其主要任务是获得摄像机的方向姿态和位置。在人造环境中，很多物体的表面都具有对称重复的纹理，这些纹理的图像矩阵具有低秩特性。当用摄像机在偏离正对方向对纹理进行拍摄时，由于存在投影形变，该纹理图像在原有方向上的对称性和重复性不再保留，从而不再具备低秩特性。本文将具有对称重复纹理的平面作为目标物体，基于这类纹理的低秩特性，提出了一种测量摄像机位姿六个自由度的方法。该方法在求解摄像机方向姿态时利用了纹理这一全局特征，不需要进行点、直线等局部特征提取，受噪声的影响小，测量精度高。具体工作如下:
　　本文建立了求解摄像机方向姿态的低秩问题模型，并通过迭代方法对该模型进行了求解。首先将原始低秩纹理图像和实际拍摄的纹理图像分别看做摄像机正对拍摄的图像和倾斜拍摄的图像。通过空间中同一点在正对拍摄和倾斜拍摄时的成像模型，推导出了正对拍摄图像和倾斜拍摄图像中各像素之间对应关系，从而建立起原始低秩纹理图像与实际拍摄的图像之间的关系模型。获得该关系模型后，将摄像机位姿求解问题等效为在该关系模型约束下最小化图像矩阵的秩的优化问题。上述优化问题可以通过迭代方法进行求解。迭代求解时，算法不断校正倾斜图像，直到其恢复为正对的低秩图像。迭代停止时，我们便可以从原倾斜图像恢复为正对图像所经历的变换中获得摄像机的方向姿态参数。
　　本文完成摄像机方向姿态求解后，将该方向姿态参数作为已知量，求解了摄像机在三维空间中的位置。具体做法为选取空间中的两个点，这两个点在空间中的位置坐标和在图像上对应的像素坐标已知;利用这两点在空间中的几何关系以及其成像模型，推导出世界坐标系原点在摄像机坐标系中的坐标。再通过坐标变换，求解出摄像机光心在世界坐标系中的坐标，从而完成摄像机空间位置的求解。
　　最后，本文利用仿真数据和实际数据验证了上述基于对称重复纹理的摄像机位姿方法的有效性。在实验部分中，本文首先利用仿真实验和实际实验考查了摄像机旋转程度不同和受噪声干扰程度不同时摄像机方向姿态的测量性能;然后分别利用了天花板方格纹理和墙砖纹理进行了实际场景中的位姿测量，并给出相应的测量精度。完成摄像机位姿测量实验后，本文与其他相似场景中的位姿测量结果进行了简要比较，指出了本文方法的特点。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 摄像机位姿测量技术分类和研究现状

1．2．1 基于局部特征的摄像机位姿测量方法

1．2．2 基于全局特征的摄像机位姿测量方法

1．3 本文的主要工作和章节安排

2 摄像机位姿测量系统和相关原理

2．1 摄像机位姿测量的系统组成

2．1．1 摄像机位姿测量系统的硬件组成

2．1．2 摄像机位姿测量系统的软件组成部分

2．1．3 用于摄像机位姿测量的参考目标物体

2．2 摄像机成像模型

2．2．1 四个参考坐标系

2．2．2 摄像机成像模型

2．3 摄像机位姿测量问题

2．3．1 摄像机位姿测量的问题模型

2．3．2 基于平面目标的摄像机位姿测量

2．4 本文涉及的低秩复原理论简介

3 基于对称重复纹理的摄像机位姿测量方法

3．1 对称重复纹理的低秩特性

3．2 摄像机方向姿态求解的问题模型

3．2．1 原始低秩纹理图像和实际拍摄的低秩纹理图像的关系模型

3．2．2 摄像机方向姿态求解的问题模型

3．3 摄像机方向姿态问题模型的求解

3．3．1 原优化问题的等效和线性化

3．3．2 增广拉格朗日乘子法求解摄像机方向姿态

3．3．3 算法实现的补充和说明

3．4 摄像机空间位置求解的原理

4 基于对称重复纹理的摄像机位姿测量实验及比较

4．1 摄像机方向姿态测量实验

4．1．1 旋转角度较小时的摄像机方向姿态测量实验

4．1．2 旋转角度较大时的摄像机方向姿态测量实验

4．1．3 存在噪声时的摄像机方向姿态测量实验

4．2 基于实际纹理的摄像机位姿测量实验

4．2．1 基于天花板方格纹理的摄像机位姿测量实验

4．2．2 基于墙砖纹理的摄像机位姿测量实验

4．3 摄像机位置测量的结果分析

4．3．1 焦距的测量精度对位置测量结果的影响

4．3．2 主点标定误差对摄像机位置测量的影响

4．3．3 像素点提取误差对测量精度造成的影响

4．3．4 欧拉角的测量误差对位置测量产生的影响

4．4 与相似场景的位姿测量方法的比较

5 总结与展望

5．1 论文工作总结

5．2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢