Multiple View Geometry(多视图几何)学习笔记（5）—从图像恢复仿射和度量性质

            从图像恢复仿射和度量性质

  射影矫正的目的是消除平面的透视图像中的射影失真，使得原始平面的相似性质(角度，长度比)可以被测量。

1.由图像恢复仿射性质

结论 1：  在射影变换 H$H$下，无穷远直线l∞$l_{\mathrm{\infty }}$为不动直线的充要条件是H$H$是仿射变换。
证明：

l′∞=H−TAl∞=[A−T−t−TA−T01]⎡⎣⎢001⎤⎦⎥=⎡⎣⎢001⎤⎦⎥=l∞$$l_{\mathrm{\infty }}^{{}^{\prime }}=H_A^{-T}{l}_{\mathrm{\infty }}=\left[\begin{array}{cc}{A}^{-T}& 0\\ -t^{-T}{A}^{-T}& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ 1\end{array}\right]=l_{\mathrm{\infty }}$$

  同理，逆命题也是正确的。

  在平面的像中，一但无穷远直线的像得到辨认，就有可能对原平面进行仿射测量。如图1所示，直接把已辨认的l∞$l_{\mathrm{\infty }}$变换到它的规范位置l∞=(0,0,1)T$l_{\mathrm{\infty }}=(0,0,1{)}^T$。把实现此变换的(射影)矩阵应用于图像中的每一点以达到对图像进行仿射矫正的目的，即变换之后，仿射测量可以直接在矫正过的图像中进行。
     

图1仿射矫正$$图1仿射矫正$$

  如果无穷远直线的像是I=(l1,l2,l3)T$I=(l_1,l_2,l_3{)}^T$,假定l3≠0,那么把l映射回$l_3\ne 0,那么把l映射回$l∞=（0,0,1）T$l_{\mathrm{\infty }}=（0,0,1{）}^T$的一个合适的射影点变换是:

H=HA⎡⎣⎢10l101l200l3⎤⎦⎥$$H=H_A\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ l_1& l_2& l_3\end{array}\right]$$

直线上的距离比
  给定一条直线上有已知长度比的两个线段，该直线上的无穷远点便可以确定。

2.虚圆点及其对偶

虚圆点 每一圆周与l∞$l_{\mathrm{\infty }}$相交的点称为虚圆点。
  在二次曲线为圆时有a=c$a=c$且b=0$b=0$。取a=1$a=1$则：

x21+x22+dx1x3+ex2x3+fx23=0$$x_1^2+x_2^2+d{x}_1{x}_3+e{x}_2{x}_3+f{x}_3^2=0$$

  该二次曲线相交与l∞$l_{\mathrm{\infty }}$于( 理想) 点（x3=0$x_3=0$）:

x21+x22=0$$x_1^2+x_2^2=0$$

  解得I=(1,i,0)T$I=(1,i,0{)}^T$ ,J=(1,−i,0)T$J=(1,-i,0{)}^T$

结论2 在射影变换H$H$下 . 虚圆点I$I$和J$J$为不动点的充要条件是H$H$ 是相似变换。
证明
  虚圆点(也称绝对点)I=(1,i,0)T$I=(1,i,0{)}^T$ ,J=(1,−i,0)T$J=(1,-i,0{)}^T$在保向相似变换下:

I′=HSI=⎡⎣⎢scosθssinθ0−ssinθscosθ0txty1⎤⎦⎥⎛⎝⎜1i0⎞⎠⎟=se−iθ⎛⎝⎜1i0⎞⎠⎟=I$$I^{\prime }=H_{S}I=\left[\begin{array}{ccc}scos\theta & -ssin\theta & t_x\\ ssin\theta & scos\theta & t_y\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left(\begin{array}{c}1\\ i\\ 0\end{array}\right)=s{e}^{-i\theta }\left(\begin{array}{c}1\\ i\\ 0\end{array}\right)=I$$

  同理J$J$也可证明。

与虚圆点对偶的二次曲线 C∗∞=IJT+JIT$C_{\mathrm{\infty }}^{\ast }=I{J}^T+J{I}^T$

结论 3  对偶二次曲线C∗∞$C_{\mathrm{\infty }}^{\ast }$在射影变换H$H$下不变的充要条件是H$H$是相似变换。
此外，在任何射影框架下，对偶二次曲线C∗∞$C_{\mathrm{\infty }}^{\ast }$还具有以下性质：

• 有 4 *度
• l∞$l_{\mathrm{\infty }}$ 是C∗∞$C_{\mathrm{\infty }}^{\ast }$的零矢量

3.射影子面上的夹角

  在欧氏几何中，两线间的夹角由它们法线的点乘来计算。直线I=(l1,l2,l3)T$I=(l_1,l_2,l_3{)}^T$和m=(m1,m2,m3)T$m=(m_1,m_2,m_3{)}^T$的法线分别平行于(l1,l2)T$(l_1,l_2{)}^T$和(m1,m2)T$(m_1,m_2{)}^T$，其夹角为：

cosθ=l1m1+l2m2(l21+l22)(m21+m22)−−−−−−−−−−−−−−−√$$cos\theta =\frac{l_1{m}_1+l_2{m}_2}{\sqrt{(l_1^2+l_2^2)(m_1^2+m_2^2)}}$$

  在射影变换下不变的公式为:

cosθ=lTC∗∞m(lTC∗∞l)(mTC∗∞m)−−−−−−−−−−−−−−−√$$cos\theta =\frac{l^T{C}_{\mathrm{\infty }}^{\ast }m}{\sqrt{(l^T{C}_{\mathrm{\infty }}^{\ast }l)(m^T{C}_{\mathrm{\infty }}^{\ast }m)}}$$

  其中C∗∞$C_{\mathrm{\infty }}^{\ast }$是与虚圆点对偶的二次曲线。

结论4 一旦二次曲线C∗∞$C_{\mathrm{\infty }}^{\ast }$在射影平面上被辨认，那 么欧氏角可以测量。

结论5 如果lTC∗∞m=0$l^T{C}_{\mathrm{\infty }}^{\ast }m=0$, 则直线l$l$和m$m$正交。

结论6 一旦二次曲线C∗∞$C_{\mathrm{\infty }}^{\ast }$在射影平面上被辨认，长度比同样可以测量。

4.由图像恢复度量性质

  把虚圆点变换到它们的标准位置，就可以由平面的图像恢复度量性质。对偶二次曲线C∗∞$C_{\mathrm{\infty }}^{\ast }$几乎包含了实现度量矫正所需的全部信息。它能确定射影变换中的仿射和射影成分，而只留下相似变换的失真。

结论7 在射影平面上，一旦 C∗∞$C_{\mathrm{\infty }}^{\ast }$辨认， 那么射影失真可以矫正到相差一个相似变换。