Computer Vision: Algorithms and Applications(学习笔记二)--geometric transformations

来源:互联网 发布:设计软件 logo cdr 编辑:程序博客网 时间:2024/05/22 12:09

2D变换

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平移变换(translation):对于2D基元的平移变换为:
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其中这里写图片描述为2×2的单位矩阵,则公式可理解为对于坐标点这里写图片描述的加减变换:
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为满足两端的变量的齐次性,也可写作:
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欧氏变换(Euclidean):在平移变换的基础上加上旋转:
这里写图片描述这里写图片描述

其中R维护正交矩阵,即满足这里写图片描述

相似变换(similarity):在欧氏变换的基础上加上全局尺度因子:
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仿射变换(affine):在相似变换的基础上具有两个尺度因子,在主方向和次方向具有不同的尺度因子:
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投影变换(projective):也成为透视变化或同态变化:
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其中这里写图片描述是任意的一个3×3矩阵,而且对应的是二维变化,是齐次的,故对于不同尺度量的这里写图片描述是等同的,得到齐次的这里写图片描述需要经过正常化处理,即:
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总结常用2D变换表如下:
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上述变换均可用于2D平面上的坐标点,是否可以直接应用于变换直线方程,对于齐次方程这里写图片描述,可推导:
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故上述2D变换可直接用于2D直线的齐次表达变换。
拉伸/挤压(stretch/squash):改变图像的长宽比,一种仿射变换的受限形式,未旋转的仿射变换:
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3D变换

3D坐标变换几何与2D变换的情形非常相似,如下表:
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3D旋转

欧拉角(Euler angles):旋转矩阵是由围绕三个基轴的三个旋转的乘积形成的,即这里写图片描述轴,旋转角为这里写图片描述,则三次旋转矩阵为:
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乘积得到旋转矩阵为:
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欧拉角是旋转三次,旋转的次序会对结果产生影响,并且会出现万向节死锁问题(http://v.youku.com/v_show/id_XNzkyOTIyMTI=.html),不是很好用。

轴/角(axis/angle):轴/角是将三维旋转看作绕特定的轴这里写图片描述旋转一次角度为这里写图片描述,与旋转矩阵的关系为:
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则旋转矩阵可以求解:
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单位四元组(unit quaternions):单位四元组与轴/角原理相同,只是将轴/角表达为一个四维的单位矢量,写作这里写图片描述,其中:
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在选择表达方式时,一般根据应用选择。轴/角比较直观,容易理解,但是需要是动态表达,四元组没有不连续性,一般优先选择。

3D到2D投影

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正交投影(orthography):正交投影是舍弃三维坐标的这里写图片描述分量得到二维坐标。使用齐次坐标可以写作:
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归一的正交投影(scaled orthography):为了简化计算,将物体投影在不同的平行于图像平面的不同参考面上。

类透视投影(para-perspective):可以理解为分两步进行,第一步是在归一化的正交投影基础上,局部参考面的投影使用平行于物体中心的视线进行投影(图中实线部分),第二步再按照正常的投影方式(相似变换)投影到最终的图像平面上。这种投影的好处是比归一化的正交投影精度高,也不需要透视投影的除法增加计算复杂性。这两步组合可看作仿射变换。

透视投影(perspective):就是常见的透视现象,使得离摄像机近的物体投影后较大,而离摄像机较远的物体投影后较小。故可用视锥体表示:
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为了方便推到,一般将是锥体搬到一个统一标准的立方体中进行计算,满足这里写图片描述,如图所示:
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此时投影到这里写图片描述的平面上,则依照比例关系得到点坐标为:
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由于使得离摄像机近的物体投影后较大,而离摄像机较远的物体投影后较小,则最终值与 的倒数成线性关系,则表示为:
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又有z的近截面Near和远截面Far范围缩小为0到1,故有公式:

解得:
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又有xz的反比参数为视角的余切值,投影平面的纵横比为Aspect,则最终投影变换公式为:
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