相机成像模型

      相机成像的过程就是世界坐标系向像素坐标系转换的过程,即:世界坐标系(3d)->相机坐标系(3d)->像平面坐标系(2d)->像素坐标系(2d),经过这样一级一级的转换之后,物体在空间中的坐标即转换为在图像中的像素坐标。

四个坐标系的表示如下:

  • 世界坐标系(Xw、Yw、Zw)
  • 相机坐标系(Xc、Yc、Zc)
  • 像平面坐标系(x、y)
  • 像素坐标系(u、v)

1)世界坐标系(3d)->相机坐标系(3d)

    从世界坐标系到相机坐标系的转换是刚体变换,是旋转动作和平移动作的结果,如下所示:

                                                                      1)

2)相机坐标系(3d)->像平面坐标系(2d)

    相机坐标系到像平面坐标系的转换如下图所示:

根据相似三角形,点P在相机坐标系和像平面坐标系中的坐标满足如下关系:

                                                             2)

3)像平面坐标系(2d)->像素坐标系(2d)

      像素坐标是光在平面成像的一个模拟量,所以需要对成像平面上的像进行采样和量化,得到物体的像在像素平面上的坐标值。像素平面与成像平面之间,相差一个缩放和原点的平移。如下式所示,在u轴上放大了α倍,在v轴上放大β倍,原点平移cx,cy

                                                                      3)

这里忽略了相机畸变的影响。

    融合式2)、3)得到相机坐标系到像素坐标的转化公式

                                                                4)

整理成齐次形式:

                                             5)

融合5)、1)得到:

     6)

即世界坐标到像素坐标的转换过程。


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