基于几何特征的摄像机自标定及建模研究

摘要

三维重建技术是计算机视觉、人工智能、虚拟现实等前沿领域的研究热点和难点，是人类在基础研究和应用研究中面临的重大挑战之一。这些需求导致了基于图像建模技术的产生，作为一种新兴的建模方法，此项技术受到了广泛的关注，它结合了计算机图形学、计算机视觉、摄影测量学、射影几何等许多学科的理论和成果。其最大的优点是可以直接从图像中重建几何模型，并抽取纹理和光照信息，从而简单、快速地构建出具有“照片级”真实感的三维模型。本文的研究属于基于图像建模技术的范畴，主要讨论如何将基于几何特征的摄像机自标定和基于多幅图像的三维重建方法应用于基于图像建模技术中。文章主要具体研究以下三点： 1)基于图像灭点的摄像机自标定，首先推导得出图像上主方向灭点的像素位置与摄像机矩阵之间的约束关系，并根据摄像机视图中灭点空间几何约束，对摄像机矩阵进行了进一步的约束，进而直接求出在相差一个度量变换或一个欧式变换下的摄像机矩阵。 2)基于单个空间平行四边形的摄像机标定的方法。该方法利用空间平行四边形各个顶点在摄像机坐标系下的相对深度比，得到各点在摄像机坐标系下坐标的解析表达式，最后利用四边形几何性质，列方程求解出摄像机参数和各点的相对深度，从而完成了标定。 3)多幅图像基于灭点性质三维建模的方法。该方法利用灭点的属性推导出了摄像机中心在世界坐标系下的坐标位置的解析表达式，再利用两幅图像之间的空间几何约束关系，从空间约束关系中反算出物体各点的空间位置从而重建出物体几何模型，最后进行纹理映射，完成重建。

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论文说明：图表目录

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致谢

第一章绪论

1.1基于图像建模的概述

1.2基于图像建模的研究现状

1.2.1摄像机标定方法的简介

1.2.2基于非标定摄像机的三维几何重建

1.3本文的研究内容及组织结构

第二章摄像机模型

2.1针孔摄像机模型

2.2摄像机的成像过程

2.3摄像机矩阵的标定

2.4空间点世界坐标的计算

2.5摄像机矩阵的分解

2.6本章小结

第三章基于灭点的摄像机自标定

3.1灭点的性质

3.2灭点的定位

3.3利用灭点标定摄像机

3.3.1计算摄像机的焦距和主点

3.3.2摄像机矩阵的说明

3.3.3灭点和摄像机矩阵的约束关系

3.3.4世界坐标原点和摄像机矩阵约束关系

3.3.5作辅助线引入新的约束

3.3.6平行世界坐标轴方向的线段之间比例

3.3.7摄像机矩阵的度量重建

3.3.8摄像机矩阵的欧式重建

3.3.9由摄像机矩阵确定内外参数

3.4实验分析

3.5本章小结

第四章基于平行四边形的摄像机自标定

4.1摄像机坐标系和图像坐标系的转换

4.2计算相对深度比

4.3摄像机参数的标定

4.4实验分析

4.4.1模拟实验

4.4.2真实实验

4.4.3实验讨论

4.5本章小结

第五章基于空间约束的物体三维重建

5.1摄像机成像中心位置

5.2两幅图像的空间约束关系

5.3实验分析

5.3.1建模步骤

5.3.2实验结果及分析

5.4本章小结

第六章结束语

6.1全文总结

6.2研究展望

参考文献

硕士期间发表的论文

硕士期间参与的科研项目

硕士期间获得的奖励

硕士期间申请的专利和软件著作权

硕士期间参加的社会活动