三角化：Triangulation: Why Optimize?

Reference:

1. GitHub:openMVG
2. Triangulation: Why Optimize?

1. 预备知识

• 向量 $\mathbf{v}$ 的欧几里得范数：$\Vert \mathbf{v}\Vert$；
• 单位向量：$\hat{\mathbf{v}}=\mathbf{v}/\Vert \mathbf{v}\Vert$；
• 两条线 ${\mathbf{L}}_0$ 和 ${\mathbf{L}}_1$ 间角度：$\angle ({\mathbf{L}}_0,{\mathbf{L}}_1)\in [0,\pi /2]$；
• 定义 ${\mathbf{x}}_0=[x_0,y_0,z_0{]}^T$ 和 ${\mathbf{x}}_1=[x_1,y_1,z_1{]}^T$ 分别为相机参考系 $C_0$ 和 $C_1$ 的三维坐标；
• $\mathbf{R}$ 和 $\mathbf{t}$ 为两相机间的旋转和位移，则 ${\mathbf{x}}_1=\mathbf{R}{\mathbf{x}}_0+\mathbf{t}$；
• 相机标定矩阵：$\mathbf{K}$；
• 每帧点观测到的其次像素坐标：${\mathbf{u}}_0=(u_0,v_0,1{)}^{⊺}$ 和 ${\mathbf{u}}_1=(u_1,v_1,1{)}^{⊺}$；
• 归一化图像坐标：${\mathbf{f}}_0={\left[x_0/z_0,y_0/z_0,1\right]}^T$ 和 ${\mathbf{f}}_1={\left[x_1/z_1,y_1/z_1,1\right]}^T$，分别由 ${\mathbf{f}}_0={\mathbf{K}}^{-1}{\mathbf{u}}_0$ 和 ${\mathbf{f}}_1={\mathbf{K}}^{-1}{\mathbf{u}}_1$ 得到；
• 在 Fig.1a 的理想情况下，两个反向投影的光线相交，满足对极约束：${\mathbf{f}}_1\cdot (\mathbf{t}\times {\mathbf{Rf}}_0)=0$(SLAM十四讲 P167，${{\mathbf{x}}_2}^T{t}^{\wedge }\mathbf{R}{\mathbf{x}}_1=0$)；
• 给定上图的深度标量 ${\lambda }_0$ 和 ${\lambda }_1$，交点 ${\mathbf{x}}_1$ 的公式为：$\begin{array}{rl}{\mathbf{x}}_1& ={\lambda }_0\mathbf{R}\widehat{{\mathbf{f}}_0}+\mathbf{t}\end{array}$ 和 $\begin{array}{rl}{\mathbf{x}}_1& ={\lambda }_1\widehat{{\mathbf{f}}_1}\end{array}$。($\widehat{{\mathbf{f}}_0}$ 和 $\widehat{{\mathbf{f}}_1}$ 为理想值，由于图像测量和相机模型的不准确，这种情况很少发生。要从两条倾斜的光线推断三维点，就引出了下面的方法)；

1.1 评估 3D 点准确性

一旦使用某种三角测量方法获得 3D 点 ${\mathbf{x}}_1^{\prime }$ 的估计，就可以以多种方式评估其准确性：

1. 计算 3D 误差，即：$e_{3D}=\Vert {\mathbf{x}}_1^{\prime }-{\mathbf{x}}_{\mathrm{true}}\Vert$(见 Fig.1b)；
2. 计算 2D 误差，也就是重投影误差：
   $$d_i=\Vert \mathbf{K}\left({\mathbf{f}}_i-{\mathbf{f}}_i^{\prime }\right)\Vert =\Vert \mathbf{K}\left({\mathbf{f}}_i-{\left(\left[001\right]{\mathbf{x}}_i^{\prime }\right)}^{-1}{\mathbf{x}}_i^{\prime }\right)\Vert \text{for}i=0,1(1)$$其中 ${\mathbf{x}}_0^{\prime }={\mathbf{R}}^{⊺}({\mathbf{x}}_1^{\prime }-\mathbf{t})$。这里 ${\left(\left[001\right]{\mathbf{x}}_i^{\prime }\right)}^{-1}$ 求的是 $z$ 轴坐标的逆，再乘上 ${\mathbf{x}}_1^{\prime }$ 可得归一化平面坐标(见 Fig.1b)；
   2D 误差表示与测量的偏差，而 3D 误差表示与真实值的偏差。与 3D 误差不同，3D 点的 2D 误差可以在不同范数下评估，如：
   • $L_1$ 范数：$d_0+d_1$；
   • $L_2$ 范数：$\sqrt{d_0^2+d_1^2}$；
   • $L_{\infty }$ 范数：$\max (d_0,d_1)$。
3. 除了 2D 和 3D 精度外，还可以评估得到的视差角精度(见 Fig.1c)，视差误差定义如下(这里的表示感觉有点迷，${\mathbf{x}}_{\mathrm{true}}$ 说的应该是 $C_1$ 和 ${\mathbf{x}}_{\mathrm{true}}$ 的直线，而 ${\mathbf{x}}_{\mathrm{true}}-\mathbf{t}$ 为 $C_0$ 和 ${\mathbf{x}}_{\mathrm{true}}$ 的直线)：
   $$e_{\beta }=|{\beta }_{\mathrm{true}}-{\beta }^{\prime }|=|\angle \left({\mathbf{x}}_{\mathrm{true}},{\mathbf{x}}_{\mathrm{true}}-\mathbf{t}\right)-\angle \left({\mathbf{x}}_1^{\prime },{\mathbf{x}}_1^{\prime }-\mathbf{t}\right)|(2)$$将“原始视差”定义为原始反投影光线之间的角度：
   $${\beta }_{\mathrm{raw}}=\angle \left({\mathbf{Rf}}_0,{\mathbf{f}}_1\right).(3)$$这给出了独立于平移和三角化方法的视差角粗略估计。

2. 提出的方法

2.1 广义加权中点法

广义加权中点法 Generalized Weighted Midpoint (GWM) 包含以下三个步骤：

1. 给定对应于同一点的两个反向投影光线，使用一些方法估计两条光线 $({\lambda }_0,{\lambda }_1)$ 的深度；
2. 计算这两条深度为 ${\lambda }_0$ 和 ${\lambda }_1$ 的光线的 3D 点，也就是在 $C_1$ 帧的 $\mathbf{t}+{\lambda }_0\mathbf{R}\widehat{{\mathbf{f}}_0}$ 及 ${\lambda }_1\widehat{{\mathbf{f}}_1}$；
3. 通过计算它们的加权平均来获得 3D 点的最终估计。

以前经典的中点方法是，每条光线的两个点是有着相同权重的最接近点对。而下图展示了广义加权中点的另一个可能的示例：

2.2 可选的中点法

这里提出一种属于 GWM 的可选中点法。首先考虑两个反向投影碰巧相交的情况，如 Fig.1a。在这种情况下，最合理的解决方案是交点，可以使用正弦规则获得沿射线的对应深度：
$${\lambda }_0=\frac{\sin \left(\angle \left({\mathbf{f}}_1,\mathbf{t}\right)\right)}{\sin \left(\angle \left(\mathbf{R}{\mathbf{f}}_0,{\mathbf{f}}_1,\right)\right)}\Vert \mathbf{t}\Vert =\frac{\Vert {\hat{\mathbf{f}}}_1\times \mathbf{t}\Vert }{\Vert \mathbf{R}{\hat{\mathbf{f}}}_0\times {\hat{\mathbf{f}}}_1\Vert },{\lambda }_1=\frac{\sin \left(\angle \left(\mathbf{R}{\mathbf{f}}_0,\mathbf{t}\right)\right)}{\sin \left(\angle \left(\mathbf{R}{\mathbf{f}}_0,{\mathbf{f}}_1,\right)\right)}\Vert \mathbf{t}\Vert =\frac{\Vert \mathbf{R}{\hat{\mathbf{f}}}_0\times \mathbf{t}\Vert }{\Vert \mathbf{R}{\hat{\mathbf{f}}}_0\times {\hat{\mathbf{f}}}_1\Vert }.(4)$$在两条光线是倾斜的时候，也使用该公式估计深度。分别计算 3D 点在每条光线上的深度 ${\lambda }_0$ 和 ${\lambda }_1$，得：
$$\mathbf{t}+{\lambda }_0\mathbf{R}{\hat{\mathbf{f}}}_0=\mathbf{t}+\frac{\Vert {\mathbf{f}}_1\times \mathbf{t}\Vert }{\Vert {\mathbf{Rf}}_0\times {\mathbf{f}}_1\Vert }{\mathbf{Rf}}_0\text{and}{\lambda }_1\widehat{{\mathbf{f}}_1}=\frac{\Vert {\mathbf{Rf}}_0\times \mathbf{t}\Vert }{\Vert {\mathbf{Rf}}_0\times {\mathbf{f}}_1\Vert }{\mathbf{f}}_1(5)$$取这两个点的中点有：
$${\mathbf{x}}_1^{\prime }=\frac{1}{2}\left(\mathbf{t}+\frac{\Vert {\mathbf{f}}_1\times \mathbf{t}\Vert }{\Vert \mathbf{R}{\mathbf{f}}_0\times {\mathbf{f}}_1\Vert }\mathbf{R}{\mathbf{f}}_0+\frac{\Vert \mathbf{R}{\mathbf{f}}_0\times \mathbf{t}\Vert }{\Vert \mathbf{R}{\mathbf{f}}_0\times {\mathbf{f}}_1\Vert }{\mathbf{f}}_1\right).(6)$$令 $\mathbf{p}=\mathbf{R}{\hat{\mathbf{f}}}_0\times {\hat{\mathbf{f}}}_1$，$\mathbf{q}=\mathbf{R}{\hat{\mathbf{f}}}_0\times \mathbf{t}$ 以及 $\mathbf{r}={\hat{\mathbf{f}}}_1\times \mathbf{t}$，深度公式可替换为：
$${\lambda }_0=\frac{||\mathbf{r}||}{||\mathbf{p}||},{\lambda }_1=\frac{||\mathbf{q}||}{||\mathbf{p}||}(7)$$这些形式类似于以前经典的中点法给出的深度：
$${\lambda }_{\text{mid}0}=\frac{\hat{\mathbf{p}}\cdot \mathbf{r}}{\Vert \mathbf{p}\Vert },{\lambda }_{\text{mid}1}=\frac{\hat{\mathbf{p}}\cdot \mathbf{q}}{\Vert \mathbf{p}\Vert }.(8)$$这两种公式的不同之处在于分子，equ.7 有大小 $\mathbf{r}$ 和 $\mathbf{q}$，而 equ.8 将它们投影到 $\mathbf{p}$ 上。因此，我们总是得到 ${\lambda }_0\ge {\lambda }_{\text{mid}0}$ 和 ${\lambda }_1\ge {\lambda }_{\text{mid}1}$。在大多数情况下，这意味着该方法得到的中点会比经典中点更远。在 Fig.2 描述的例子里，当我们估计一个远离相机的点时，通常(传统三角化方法)会导致估计的视差角较小。

2.3 Cheirality(多视图几何中代表着3D点的正景深约束)

当三角化的点有负深度时，违反了 3D 点的正景深约束。这可能有很多原因产生，如点对的关联错了或极点附近的图像点有噪声。通常它不会造成严重的问题，因为可以很轻易检查每个点的正景深并抛弃坏点。对于经典的中点方法，可以通过检查 equ.8 给出的深度符号确认。但对于该文中给出的方法是不能这样确认的，因为给出的深度总为正。上图说明了两种方法间的差异。因此在该方法中，仅靠深度不能说明三角测量的结果是否可靠。

这时需要使用其他方法来测试该点是否为坏点(满足以下不等式即为坏点)：如果将至少一个深度的符号改为负会导致光线上两点间距变小，则抛弃这个点的对应关系：
$$\Vert \mathbf{t}+{\lambda }_0\mathbf{R}\widehat{{\mathbf{f}}_0}-{\lambda }_1{\hat{\mathbf{f}}}_1{\Vert }^2\ge \min \left(\Vert \mathbf{t}+{\lambda }_0\mathbf{R}\widehat{{\mathbf{f}}_0}+{\lambda }_1\widehat{{\mathbf{f}}_1}{\Vert }^2,\Vert \mathbf{t}-{\lambda }_0\mathbf{R}\widehat{{\mathbf{f}}_0}-{\lambda }_1{\hat{\mathbf{f}}}_1{\Vert }^2,\Vert \mathbf{t}-{\lambda }_0\mathbf{R}\widehat{{\mathbf{f}}_0}+{\lambda }_1\widehat{{\mathbf{f}}_1}{\Vert }^2\right)(9)$$对于经典的中点法，令 ${\lambda }_0=|{\lambda }_{mid0}|$ 和 ${\lambda }_1=|{\lambda }_{mid1}|$ 可以有效得到与检验正景深约束相同的结果(显而易见，都是验证这个数是不是大于零的)。而现方法在 equ.9 在 Fig.3a 成立，是因为当 ${\lambda }_0=-|{\lambda }_{mid0}|$ 及 ${\lambda }_1=-|{\lambda }_{mid1}|$ 时两点最接近。

2.4 逆深度加权中点-Inverse Depth Weighted(IDW) Midpoint

由 equ.6 给出的为加权中点通常会导致两幅图像不成比例的重投影误差，Fig.3c 给出了一个例子。注意具有较小深度的光线往往会产生较大的重投影误差。为了补偿这种不平衡，文中建议使用逆深度作为权重：
$${\mathbf{x}}_1^{\prime }=\frac{{\lambda }_0^{-1}\left(\mathbf{t}+{\lambda }_0\mathbf{R}\widehat{{\mathbf{f}}_0}\right)+{\lambda }_1^{-1}\left({\lambda }_1\widehat{{\mathbf{k}}_1}\right)}{{\lambda }_0^{-1}+{\lambda }_1^{-1}}=\frac{\Vert \mathbf{q}\Vert }{\Vert \mathbf{q}\Vert +\Vert \mathbf{r}\Vert }\left(\mathbf{t}+\frac{\Vert \mathbf{r}\Vert }{\Vert \mathbf{p}\Vert }\left(\mathbf{k}\widehat{{\mathbf{f}}_0}+\widehat{{\mathbf{f}}_1}\right)\right)(10)$$

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3. 实现代码

// Helper function
// Compute Relative motion between two absolute poses parameterized by Rt
// Rotate one bearing vector according to the relative motion
inline void AbsoluteToRelative(const Mat3 &R0, const Vec3 &t0, const Mat3 &R1, const Vec3 &t1, const Vec3 &x0, Mat3 &R, Vec3 &t, Vec3 &Rx0)
{
    
    
  R = R1 * R0.transpose();
  t = t1 - R * t0;
  Rx0 = R * x0;
}

bool TriangulateIDWMidpoint(const Mat3 & R0, const Vec3 & t0, const Vec3 & x0, const Mat3 & R1, const Vec3 & t1, const Vec3 & x1, Vec3* X_euclidean)
{
    
    
  // absolute to relative
  Mat3 R;
  Vec3 t, Rx0;
  AbsoluteToRelative(R0, t0, R1, t1, x0, R, t, Rx0);

  const double p_norm = Rx0.cross(x1).norm();
  const double q_norm = Rx0.cross(t).norm();
  const double r_norm = x1.cross(t).norm();

  // Eq. (10)
  const auto xprime1 = ( q_norm / (q_norm + r_norm) )
    * ( t + (r_norm / p_norm) * (Rx0 + x1) );

  // relative to absolute
  *X_euclidean = R1.transpose() * (xprime1 - t1);

  // Eq. (7)
  const Vec3 lambda0_Rx0 = (r_norm / p_norm) * Rx0;
  const Vec3 lambda1_x1 = (q_norm / p_norm) * x1;

  // Eq. (9) - test adequation
  return (t + lambda0_Rx0 - lambda1_x1).squaredNorm()
    <
    std::min(std::min(
      (t + lambda0_Rx0 + lambda1_x1).squaredNorm(),
      (t - lambda0_Rx0 - lambda1_x1).squaredNorm()),
      (t - lambda0_Rx0 + lambda1_x1).squaredNorm());
}