相机自动标定开发-第三阶段

简介

机器人的自我位置定位是一个基本而且重要的功能，是机器人自主导航的目标之一，是SLAM（实时定位和三维重建）的基础。我们工作室与深圳无人机公司的合作方向是——使用单片机，搭载摄像头、Wi-Fi、蓝牙等模块，向单片机移植视觉功能，使之具有自我三维定位和姿态测算的能力。
目前，定位功能有三种方法实现，惯性传感系统、激光测距系统和视觉系统。惯性传感系统使用加速度传感器、陀螺仪、罗盘等设备进行位移和旋转的测算；激光测距系统使用激光和时间测量进行距离测算；视觉使用相机，依靠拍摄的图片进行位置和旋转的测算，注意，这里所说的“视觉”特别指“单目视觉”，也就是仅使用一台摄像机的视觉方案。这三种方法各有优劣，我们这里不作比较，只关注视觉方案。
视觉方案通过在机器人上安装相机实现，利用照片之间隐藏的几何关系，解算出每张照片被拍摄时的相机位置、旋转等参数。
在计算机视觉中，这些参数的计算过程被称为“相机自动标定”，严格来说，是在微软研究院的[Zhang, 2000]中被称为“相机标定”(Camera Calibration)，并且介绍了单应矩阵估算、相机内部参数矩阵估算、相机外部参数矩阵估算。内部参数矩阵包括相机的焦距、传感器尺寸等，而外部参数矩阵就是相机自身的位移和旋转。计算背后的几何基础是投影理论、对极几何，物理基础是相机镜头成像原理。计算时，需要使用两张照片，第一张作为参考，计算得到的位移是以拍摄第一张照片的相机位置为参考的；计算得到的旋转，也是以第一张照片为参考的。
[Zhang, 2000]的计算思路是利用单应矩阵对相机内参矩阵进行估算，进而得到相机的位置和姿态。因此，我们拍摄5张照片，以第一张照片为基础，分别用后四张照片与第一张配对，寻找匹配点，并按照上述计算方法得到相机的内部参数（包括焦距、传感器尺寸等）和外部参数（相机相对坐标和旋转）。
在[Zhang, 2000]的算法中，对位置的解算存在缺陷，我们在后文中，继续参考美国宾夕法尼亚大学的机器人教程，进行位置解算。大致的解算流程如下，首先根据匹配点估算基本矩阵(Fundamental Matrix)，再使用基本矩阵和相机内参矩阵估算本质矩阵(Essential Matrix)，最后利用本质矩阵估算相机位移、相机旋转和匹配点三维坐标。

一 单应矩阵(Homography)的估算-微软研究院

1 SIFT

SIFT是一种数学算法，用来寻找两张照片中的相同点（称为匹配点）。本实验中，由于图片像素尺寸较大，而实验地点在深圳一家星巴克，为了节省计算时间，对图片做了降采样处理，在像素坐标上，变成了原本的0.2倍。

2 单应矩阵

单应矩阵构建了点在两张照片中的像素坐标转换关系，用数学表达的话，令x表示点在照片1中的坐标，x’表示这个点在照片2中的坐标，且令照片1为参考照片。单应矩阵，以H表示，为3*3的矩阵，一共九个元素，作为未知数，至少需要9个方程才能够求解（注意：H的自由度实际上是8，由于还存在一个用于矩阵整体缩放的参数，一共9个，在这里不作介绍）。由于每一组匹配点能够提供两个方程，因此，至少需要5组匹配点，制造出10个方程，才能够求解9个未知数。在至少5个匹配点的情况下，方程组的数量超过未知数的个数，在线性代数中称为超定方程，是不一定有解的，这是因为数据来自于实际测量，存在误差引入，导致每一个方程都出现偏差。对于这种情况，我们不用得到精确解（实际上不存在），只需要得到一个最贴近所有方程的解即可，为了达到这个目标一般使用估算的方法，比如最小二乘法、极大似然估计法。

图1 单应矩阵计算方程

3 开发案例1——相机自动标定开发第三阶段第一次开发

在深圳福田的星巴克内，拍摄了五张照片，以第一张为基准，用后四张分别与其进行配对，通过匹配点估算单应矩阵。
使用期望、绝对误差和方差进行评价，认为H*x1的结果是估算值，x2是真实值。但是，每一个点的坐标都是不同的，如果针对每一个点分析的话，每一个点只有一次估计，无法进行统计。相对的，H*x1与x2的距离是一个不错的参数，一次单应矩阵的估算中，每一个x2点，其估算结果与x2真值的距离，在理论上应该是0，也就是真值的期望是0。因此，针对距离进行评价，一组照片中的所有点都是样本。
设定一个点的计算值与真值的距离为d，一组照片中所有点的距离均值为d_ave，样本方差为sigma2，标准差为sigma。评价方式一：距离，作距离的二维直方图，照片组号（ID）为横坐标，距离为纵坐标；评价方式二：距离均值，作距离的一维直方图，照片组号（ID）为横坐标，距离均值为横坐标的权重，样本标准差为误差。
可以看到离散程度在逐渐增大（标准差在逐渐增大），这跟每一组的相机拍摄距离增大是一致的，可能相关。

二 相机内部参数矩阵(Cameral Intrinsic Matrix)的估算-微软研究院

1 IAC的估算

IAC是一个中间参数，称为The Image of the Absolute Conic，它连接了相机内部参数矩阵与单应矩阵，所以为了求取内参矩阵，可以先取得IAC，而IAC可以用单应矩阵得到。
单应矩阵与IAC的关系是：每一个单应矩阵可以制造两个有关IAC的方程，具体可参考[Zhang, 2000]，他将IAC用B表示。需要注意，在[Zhang, 2000]的行文中，单应矩阵元素的角标是列在前、行在后的，与我们大学本科学习线性代数时的矩阵角标标注方式相反，我在相机标定的第二阶段开发时，就错在这个地方。具体计算过程见图2。

图2 IAC计算方程

2 相机内部参数矩阵的估算

在得到IAC矩阵之后，内参矩阵的所有元素均可以求解，[Zhang, 2000]中列出了各个元素的计算方程。

3 开发案例1——相机自动标定开发第三阶段第一次开发

在星巴克拍摄了五张照片，拍摄了五张照片，以第一张为基准，用后四张分别与其进行配对，通过匹配点估算单应矩阵。

(1)IAC的评价

IAC以B表示，与每一个单应矩阵独立地建立数学关系，并且提供两个方程，参见[Zhang, 2000]。为方便表述，这里简要列举，以H表示单应矩阵，且H=(h1, h2, h3)，有h1T*B*h2=0，h1T*B*h1-h2T*B*h2=0。IAC的估算需要所有组的照片一起进行，所以对IAC的误差分析需要考虑所有照片组。
在我们这里，一共四组照片，可以提供8个方程。评价指标方面，与单应矩阵的评价不同，这里没有距离，但h1T*B*h2，h1T*B*h1-h2T*B*h2的结果也是单值的，可以作为评价指标使用，我们就如此进行。
分析结果如下图，虽然两个评价量的期望都是零，但是样本太少，不能确定此处的误差到底有多大，对后续的相机内参矩阵的估算的误差引入也不知道如何估计。

IAC评价图，G1是h1T*B*h2的绝对误差分析，G2是h1T*B*h1-h2T*B*h2的绝对误差分析

(2) 内参矩阵的评价

本次开发的内参矩阵参数如下：
alpha = 1156.76005135
beta = 1206.58063129
u0 = 33.0238094882
v0 = 385.638390652
lambda = 0.120263338283
gamma = 86.0313073062
相片的像素尺寸是3840 × 2160，理论上，u0=1920，v0=1080。估算与理论相比，属于量级差距，是非常大的差距。可以确定，SLAM解算流程的问题，出现在这里。
根据微软研究院的[Zhang, 2000]，对本次开发进行重新分析，发现问题出现在单应矩阵的求解上。单应矩阵由两张照片计算得到，一张照片作为参照，一张照片作为对象。在[Zhang, 2000]的定位下，作为“参照”的照片，实际上是作为三维坐标点的承载物，因为[Zhang, 2000]强调了使用同一平面内的匹配点，同时将这个平面摆放在了特殊的角度，使所有匹配点在Z分量上均为0，因而在单应矩阵的计算中，本该提供三维信息的匹配点，仅需要提供二维信息即可，也就是提供匹配点的“照片”，也就是所谓的“参考”照片。

全局坐标系(global coordinate system)和相机坐标系(first camera coordinate system)
[Zhang, 2000]如此巧妙构造的前提是，所有匹配点均分布在同一平面内，且垂直于全局坐标系的Z轴，而且相机坐标系与全局坐标系的三个分量朝向一致，相机的成像平面垂直于全局坐标系的Z轴，且在Z=0处。
回到本阶段开发的讨论，我提供的“参考”照片并不符合[Zhang, 2000]的需求，见下图。

(a) 我提供的“参考”照片，不符合[Zhang, 2000]需要，(b) “参照”照片，符合[Zhang, 2000]需要

(3) 错误原因分析

物理框架层面上，是“参考”照片选择有误。
程序实现层面，有几个问题，首先是图片坐标，为了加快SIFT处理速度，图片在Matlab下首先使用将采样的方法，将坐标缩小为原来的0.2倍，所以在开始解算前，需要将坐标还原。我发生的问题是将0.2倍认为是面积缩小为0.2倍，实际上是一维上缩小为0.2倍。
第二个问题是SIFT结果，以匹配点坐标数据的形式导出，一行四个数，前两个为“参考”照片中的像素坐标，按照x、y的顺序给出，后两个是待解算照片中的匹配点坐标，同样以x、y的顺序给出。但是，这个匹配点坐标的x分量，是被加上了1200的，因为在Matlab中，两张图片为左右放置，待解算图片位于右边，两张照片倍合成为了一张，匹配点的坐标均在这个坐标系下。之所以是加上了1200，是因为原本照片的x方向长度为6000像素，是我的Sony微单的分辨率，但由于做了降采样，缩放比例为0.2，导致x方向的长度缩减为1200像素。所以在处理之前，需要将待解算图片的匹配点的x坐标减去1200。

匹配点原始数据和处理结果，Original为原始数据，Fixed为处理后的数据，Baseline是匹配点在“参考”照片中的坐标，Matched是匹配点在待解算照片中的坐标
第三个问题是在做相机内参矩阵解算的最后一步时，u0的计算方程中，本该是lambda的地方，被我错误地写上了gamma。另外，zhang的两篇论文中，有一篇对于u0的计算方程，写错了，本该鞋beta的地方，写上了alpha，需要注意。

4 开发案例2——相机自动标定开发第三阶段第二次开发

在位于哈尔滨的住处拍摄了五张照片，照片中包含了以电脑显示的标定图片，分辨率为6000*4000，制作了相同分辨率的标定图片。
解算结果如下：
alpha = 7605
beta = 7593
u0 = 3030
v0 = 1994
lambda = 0.8142
gamma = -14.71
u0和v0为照片中心(principle center)，理论上是照片中心的像素坐标(3000, 2000)。u0的绝对误差是30(pixel)，相对误差是1%；v0的绝对误差是-6(pixel)，相对误差是0.3%，认为匹配。
alpha和beta与相机传感器尺寸、像素以及镜头焦距有关，此次尝试使用Sony alpha 5100相机，传感器APS画幅，尺寸为23.5mm*15.6mm，像素尺寸为6000*4000，镜头为腾龙(Tamron) 18-200 mm，此次拍摄的焦距均为29.6mm。根据[Hartley R, 2000]，alpha为f*mx，f为焦距，29.6mm，mx为传感器x方向上，单位长度的像素数量，为6000/23.5mm；因此，alpha=7557(pixel)。与alpha相同，beta是y方向上的因子，为7590(pixel)。alpha的绝对误差是48(pixel)，相对误差是0.6%；beta的绝对误差是3(pixel)，相对误差是0.04%，认为匹配。

参数名称	解算值	理论值	绝对误差	相对误差
u0 / pixel	3030	3000	30	1%
v0 / pixel	1994	2000	-6	0.3%
alpha / pixel	7605	7557	48	0.6%
beta / pixel	7593	7590	3	0.04%

三 相机外部参数矩阵(Cameral External Matrix)的估算-微软研究院

相机外部参数矩阵由相机自身的平移和旋转构成，可以由相机内参矩阵和单应矩阵求解得到。其中的算法重点是内参矩阵的逆矩阵求解。
逆矩阵的求解方法有多种，如初等变换法、伴随阵法等等，由于求解对象是内参矩阵，为3*3的上三角矩阵，且使用程序解算，使用伴随阵法比较合适。
相机坐标解算结果见图，其中还是有缺陷，接下来参考宾夕法尼亚大学的计算机视觉教程继续调试。

图3 内参矩阵求逆

图4 相机位置计算结果（blender显示）

四 基本矩阵(Fundamental Matrix)估算、筛选、整理和评价-宾大

1 基本矩阵的估算-最小二乘法

基本矩阵(Fundamental Matrix)构建了匹配点x1, x2的函数关系，以3*3矩阵的形式表达。基本矩阵F的矩阵方程为x2T*F*x1=0，使用匹配点构建矩阵，采用最小二乘法，对F的元素进行估算。

2 基本矩阵的筛选-RANSAC

由于存在错误匹配的情况，如果在最小二乘法中考虑了这些匹配点，将会使估算得到的基本矩阵严重偏离真实解。在这种情况下，需要对匹配点进行筛选，剔除错误匹配点。在宾大的视频教程中，推荐使用RANSAC算法进行筛选。
以x2T*F*x1的数值作为评价，也就是RANSAC中所说的“距离”。理论上，使用无误差的基本矩阵和正确且无误差的匹配点x1和x2，计算结果是0。而使用有误差的匹配点，和有误差的基本矩阵，计算结果将偏离0。我们这里，以计算结果的绝对值为评价，或者说“距离”，带入RANSAC算法中。
之所以能这么做，是默认了发生错误匹配的情况占少数，那么统计上，错误匹配点的数量只占少数。

五 本质矩阵(Essential Matrix)估算-宾大

宾大的相机外部参数解算以基本矩阵F和相机内部参数矩阵K为基础。
首先估算基本矩阵，并对基本矩阵进行整理(Cleanup)，然后估算本质矩阵E，E = KT*F*K。

六 相机位置和姿态估算-宾大

附录1——矩阵的奇异分解(SVD)

参考(http://www.cnblogs.com/whu-zeng/p/4705970.html )，A=UDVT，ATA的特征向量构成V，AAT的特征向量构成U。

[Hartley R, 2000] Hartley R, Zisserman A. Multiple view geometry in computer vision[C]// Cambridge University Press, 2000:1865 - 1872.
[Zhang, 2000] Zhang Z. A Flexible New Technique for Camera Calibration[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis & Machine Intelligence, 2000, 22(11):1330-1334.