3. 单相机坐标系定义
在四相机3D线扫系统中,每个相机都遵循一套标准的坐标系转换链路。理解从三维世界到二维图像的映射过程,是构建系统数学模型的基础。本章节将详细阐述相机坐标系、图像坐标系与像素坐标系之间的几何关系及其数学表达。
3.1 三大坐标系的定义与角色
单相机成像过程涉及三个核心坐标系,它们分别承担不同的空间描述任务:
| 坐标系 | 符号 | 维度 | 单位 | 核心作用 |
|---|---|---|---|---|
| 相机坐标系 | Oc-XcYcZc | 3D | 物理长度 (mm) | 以相机光心为原点,描述物体在相机视角下的三维位置 |
| 图像坐标系 | Oi-xy | 2D | 物理长度 (mm) | 位于成像平面,描述投影点的物理位置 |
| 像素坐标系 | Op-uv | 2D | 像素 (pixel) | 位于图像数组,描述像素的行列索引 |
关键理解: 相机坐标系是三维世界的“观察者视角”;图像坐标系是物理成像的“度量尺”;像素坐标系是数字图像的“寻址器”。三者通过刚体变换与投影变换串联。
3.2 坐标系转换链路与数学表达
从相机坐标系中的三维点 Pc(Xc, Yc, Zc) 到像素坐标系中的二维点 p(u, v),经历两次关键转换:
- 透视投影:从相机坐标系 (3D) 到图像坐标系 (2D)。
- 仿射变换:从图像坐标系 (mm) 到像素坐标系 (pixel)。
3.2.1 透视投影:相机坐标系 → 图像坐标系
基于针孔成像模型,三维空间点 Pc 通过光心投影到成像平面上的点 p(x, y)。根据相似三角形原理:
x = f * (X<sub>c</sub> / Z<sub>c</sub>)
y = f * (Y<sub>c</sub> / Z<sub>c</sub>)
其中,f 为相机焦距(单位:mm)。该投影过程是非线性的,因为深度 Zc 出现在分母中。齐次坐标形式可将其线性化:
[ x ] [ f 0 0 0 ] [ X<sub>c</sub> ]
[ y ] = [ 0 f 0 0 ] [ Y<sub>c</sub> ]
[ 1 ] [ 0 0 1 0 ] [ Z<sub>c</sub> ]
[ 1 ]
3.2.2 仿射变换:图像坐标系 → 像素坐标系
图像坐标系的原点 Oi 通常位于成像平面中心(主点),而像素坐标系的原点 Op 位于图像左上角。转换涉及缩放与平移:
u = (x / d<sub>x</sub>) + u<sub>0</sub>
v = (y / d<sub>y</sub>) + v<sub>0</sub>
参数说明:
- dx、dy:单个像素在 x 和 y 方向上的物理尺寸(mm/pixel)。
- (u0, v0):主点(光轴与成像平面交点)的像素坐标。
齐次矩阵形式:
[ u ] [ 1/d<sub>x</sub> 0 u<sub>0</sub> ] [ x ]
[ v ] = [ 0 1/d<sub>y</sub> v<sub>0</sub> ] [ y ]
[ 1 ] [ 0 0 1 ] [ 1 ]
3.3 内参矩阵:从相机坐标系到像素坐标系的统一表达
将透视投影与仿射变换合并,得到从相机坐标系到像素坐标系的完整映射:
[ u ] [ f<sub>x</sub> 0 u<sub>0</sub> 0 ] [ X<sub>c</sub> ]
[ v ] = [ 0 f<sub>y</sub> v<sub>0</sub> 0 ] [ Y<sub>c</sub> ]
[ 1 ] [ 0 0 1 0 ] [ Z<sub>c</sub> ]
[ 1 ]
其中,fx = f / dx,fy = f / dy,分别表示以像素为单位的焦距。左侧的 3×4 矩阵即为相机的内参矩阵 K:
K = [ f<sub>x</sub> 0 u<sub>0</sub> ]
[ 0 f<sub>y</sub> v<sub>0</sub> ]
[ 0 0 1 ]
工程要点: 内参矩阵 K 是相机自身的固有属性,不随相机位姿变化。在四相机系统中,每个相机都需要单独标定其内参矩阵,包括 fx、fy、u0、v0 以及畸变系数。
3.4 坐标系关系总览
下图展示了三个坐标系之间的转换流程与核心参数:
3.5 畸变模型与校正
实际镜头并非完美针孔模型,存在径向畸变和切向畸变。畸变发生在图像坐标系阶段,校正后像素坐标才能正确映射:
- 径向畸变:由镜头形状引起,表现为“桶形”或“枕形”失真。常用 k1、k2、k3 三个参数建模。
- 切向畸变:由镜头与成像平面不平行引起,用 p1、p2 两个参数建模。
校正后的坐标 (xcorrected, ycorrected) 再代入仿射变换,得到准确的像素坐标。
四相机系统特别提示: 每个相机的畸变参数独立。在联合标定前,必须对每个相机单独完成畸变校正,否则后续的立体匹配与三维重建将引入系统性误差。
3.6 本章小结
| 步骤 | 变换 | 输入 | 输出 | 关键参数 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 透视投影 | (Xc, Yc, Zc) | (x, y) | 焦距 f |
| 2 | 畸变校正 | (x, y) | (xc, yc) | k1, k2, p1, p2 |
| 3 | 仿射变换 | (xc, yc) | (u, v) | dx, dy, u0, v0 |