相机小孔成像模型(逐步推导详解)

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先搞清楚为什么可以简化成小孔成像模型

相机小孔成像模型推导

原则:先简单后复杂,先理想后实际

[理想情况,相机无畸变]

一、明确四个坐标系:这个是推导的前提!
相机小孔成像模型(逐步推导详解)

说明:
1、图像坐标系的坐标原点是成像平面的中心,相机坐标系原点设在光心处,空间中任意一点P可以用相机坐标系和世界坐标系表示。
2、相机坐标系原点和图像坐标系原点之间的距离可以用焦距 f 简化
3、标定的时候世界坐标系XY平面是标定板上表面,即Z=0的平面

二、坐标系转换:目标是推导出像素坐标系和世界坐标系的关系。

① 世界坐标系→相机坐标系
两个坐标系变换在空间上体现的是旋转加平移
表达成齐次坐标原因:https://blog.csdn.net/wangmj_hdu/article/details/119143771
相机小孔成像模型(逐步推导详解)

② 相机坐标系→图像坐标系
根据小孔成像模型进行推导:
相机小孔成像模型(逐步推导详解)
如图,空间点投影到XZ平面,根据相似三角形,可以得到以下等式:

相机小孔成像模型(逐步推导详解) 同理y轴坐标 相机小孔成像模型(逐步推导详解) 所以图像坐标系和相机坐标系转换关系: 相机小孔成像模型(逐步推导详解) 统一成齐次坐标表达: 相机小孔成像模型(逐步推导详解)

③ 图像坐标系→像素坐标系
图像坐标系的单位和像素坐标系的单位不同,所以转换需要进行缩放α,同时两个坐标系的位置也不同,需要进行平移
相机小孔成像模型(逐步推导详解)
相应的坐标系转换:
相机小孔成像模型(逐步推导详解)
同样,用齐次坐标表达成:
相机小孔成像模型(逐步推导详解)
最后,大一统!
世界坐标系转换到像素坐标系:
相机小孔成像模型(逐步推导详解)
统一成齐次坐标的优势就体现出来了,等式右边前两项可以合成一个矩阵,也就是相机内参矩阵A
相机小孔成像模型(逐步推导详解)
标定就是把内参确定了,一个标定板设置一个世界坐标系,相应着对应一个外参RT矩阵
从公式可以看出,想要计算空间中一点坐标,需要像素坐标以及尺度因子Zc,单相机无法计算出三维点坐标!

[实际情况,相机存在安装误差以及畸变]

参考大佬:相机标定之张正友标定法数学原理详解(含python源码)文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-455035.html

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