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相对位姿估计

相对位姿估计

示意图

在这里插入图片描述

理论推导

离线数据库:

P的位置 P = [ X , Y , Z ] T P=[X,Y,Z]^{T} P=[X,Y,Z]T

相机内参 k 1 k_{1} k1

安卓手机:

相机内参 k 2 k_{2} k2

两个像素点位置 p 1 和 p 2 p_1和p_2 p1p2

公式一:

s 1 p 1 = K 1 P s_1p_1=K_1P s1p1=K1P s 2 p 2 = K 2 ( R P + t ) s_2p_2=K_2(RP+t) s2p2=K2(RP+t)

**公式二:**归一化平面上的坐标

x 1 = K 1 − 1 p 1 x_1=K_1^{-1}p_1 x1=K11p1 x 2 = K 2 − 1 p 2 x_2=K_2^{-1}p2 x2=K21p2

公式三:

x 2 = R x 1 + t x_2=Rx_1+t x2=Rx1+t

公式四:

t ^ x 2 = t ^ R x 1 \hat{t}x_2=\hat{t}Rx_1 t^x2=t^Rx1

公式五

x 2 T t ^ x 2 = x 2 T t ^ R x 1 x_2^{T}\hat{t}x_2=x_2^{T}\hat{t}Rx_1 x2Tt^x2=x2Tt^Rx1

x 2 T t ^ R x 1 = 0 x_2^{T}\hat{t}Rx_1=0 x2Tt^Rx1=0

公式六:

( K 2 − 1 p 2 ) T t ^ R K 1 − 1 p 1 (K_2^{-1}p_2)^{T}\hat{t}RK_1^{-1}p_1 (K21p2)Tt^RK11p1

结论:

本质矩阵: E = t ^ R E=\hat{t}R E=t^R ---------------------已知相机参数的情况下

基础矩阵: F = K 2 − T E K 1 − 1 F=K_2^{-T}EK_1^{-1} F=K2TEK11 -----------未知相机参数的情况下

伪代码

input:image_src,k_src,image_dst,k_dst
output:R,t
1 feature_detect(image_src,image_dst)---->keypoints and deccriptors
2 feature_match(image_src,image_dst)---->matched_features
3 find_essentialmatrix(matched_keypoints,k_src,k_dst)----->essential_matrix
4 decompose_E(essentialmatrix)----->R,t
5 judge "left or right"

实现代码

import cv2
import numpy as npdef find_keypoints_and_descriptors(image):# 使用SIFT算法检测关键点和计算描述符sift = cv2.SIFT_create()keypoints, descriptors = sift.detectAndCompute(image, None)return keypoints, descriptorsdef match_keypoints(descriptors1, descriptors2):# 使用FLANN匹配器进行关键点匹配FLANN_INDEX_KDTREE = 0index_params = dict(algorithm=FLANN_INDEX_KDTREE, trees=5)search_params = dict(checks=50)flann = cv2.FlannBasedMatcher(index_params, search_params)matches = flann.knnMatch(descriptors1, descriptors2, k=2)# 保留良好的匹配good_matches = []for m, n in matches:if m.distance < 0.7 * n.distance:good_matches.append(m)return good_matchesdef estimate_relative_pose(keypoints1, keypoints2, good_matches, camera_matrix_src, camera_matrix_dst):# 提取匹配点对应的关键点src_pts = np.float32([keypoints1[m.queryIdx].pt for m in good_matches]).reshape(-1, 1, 2)dst_pts = np.float32([keypoints2[m.trainIdx].pt for m in good_matches]).reshape(-1, 1, 2)# 使用基础矩阵估计相机的相对位姿essential_matrix, _ = cv2.findEssentialMat(src_pts, dst_pts, camera_matrix_src, None, camera_matrix_dst, None, cv2.RANSAC, 0.999, 1.0)# 从基础矩阵中恢复旋转和平移矩阵_, R, t, _ = cv2.recoverPose(essential_matrix, src_pts, dst_pts, camera_matrix_src)return R, tdef determine_camera_direction(t, R):# 打印平移向量print(f"平移向量 t: {t}")# 计算旋转矩阵的欧拉角angles = cv2.Rodrigues(R)[0]yaw = np.arctan2(angles[1, 0], angles[0, 0]) * 180.0 / np.pi# 联合判断相机的方向if t[0] > 0 and yaw > 0:print("相机偏向右侧, 您应该向左转")elif t[0] < 0 and yaw < 0:print("相机偏向左侧,您应该向右转")elif t[0] > 0 and yaw < 0:print("相机偏向右侧, 但是角度偏向左")elif t[0] < 0 and yaw > 0:print("相机偏向左侧, 但是角度偏向右")else:print("相机方向正前方")print(f"X方向平移: {t[0]}, Y方向平移: {t[1]}, Z方向平移: {t[2]}")print(f"Yaw 角度: {yaw}")def main():# 加载两张图片image1 = cv2.imread('/media/k1928-3/028efb59-765e-462b-8aa6-085565fa80eb/hxy/biaoding/weiziguji/DJI_0273.JPG', cv2.IMREAD_GRAYSCALE)image2 = cv2.imread('/media/k1928-3/028efb59-765e-462b-8aa6-085565fa80eb/hxy/biaoding/weiziguji/phone/ori_right.jpg', cv2.IMREAD_GRAYSCALE)# 假设你已知相机内参----数据库相机fx_src = 4282.03fy_src = 2960.54cx_src = 844.20cy_src = 552.00camera_matrix_src = np.array([[fx_src, 0, cx_src],[0, fy_src, cy_src],[0, 0, 1]], dtype=float)# 手机相机fx_dst = 2934.52fy_dst = 2934.89cx_dst = 1466.29cy_dst = 2020.34camera_matrix_dst = np.array([[fx_dst, 0, cx_dst],[0, fy_dst, cy_dst],[0, 0, 1]], dtype=float)# 检测关键点和计算描述符keypoints1, descriptors1 = find_keypoints_and_descriptors(image1)keypoints2, descriptors2 = find_keypoints_and_descriptors(image2)# 匹配关键点good_matches = match_keypoints(descriptors1, descriptors2)# 估计相机的相对位姿R, t = estimate_relative_pose(keypoints1, keypoints2, good_matches, camera_matrix_src, camera_matrix_dst)# 联合判断相机的方向determine_camera_direction(t, R)if __name__ == "__main__":main()

##八点法

import cv2
import numpy as np
import timedef find_keypoints_and_descriptors(image):# 使用SIFT算法检测关键点和计算描述符sift = cv2.SIFT_create()keypoints, descriptors = sift.detectAndCompute(image, None)return keypoints, descriptorsdef match_keypoints(descriptors1, descriptors2):# 使用FLANN匹配器进行关键点匹配FLANN_INDEX_KDTREE = 0index_params = dict(algorithm=FLANN_INDEX_KDTREE, trees=5)search_params = dict(checks=50)flann = cv2.FlannBasedMatcher(index_params, search_params)matches = flann.knnMatch(descriptors1, descriptors2, k=2)# 保留良好的匹配good_matches = []for m, n in matches:if m.distance < 0.7 * n.distance:good_matches.append(m)return good_matchesdef estimate_relative_pose_eight_point(keypoints1, keypoints2, good_matches, camera_matrix_src, camera_matrix_dst):# 提取匹配点对应的关键点src_pts = np.float32([keypoints1[m.queryIdx].pt for m in good_matches]).reshape(-1, 1, 2)dst_pts = np.float32([keypoints2[m.trainIdx].pt for m in good_matches]).reshape(-1, 1, 2)# 计算基础矩阵fundamental_matrix, _ = cv2.findFundamentalMat(src_pts, dst_pts, cv2.FM_8POINT)# 计算本质矩阵essential_matrix = camera_matrix_dst.T @ fundamental_matrix @ camera_matrix_src# 从本质矩阵中恢复旋转和平移矩阵_, R, t, _ = cv2.recoverPose(essential_matrix, src_pts, dst_pts, camera_matrix_src)return R, tdef determine_camera_direction(t, R):# 打印平移向量print(f"平移向量 t: {t}")# 计算旋转矩阵的欧拉角angles = cv2.Rodrigues(R)[0]yaw = np.arctan2(angles[1, 0], angles[0, 0]) * 180.0 / np.pi# 联合判断相机的方向if t[0] > 0 and yaw > 0:print("人在走廊中轴线左侧, 手机摄像头角度偏右,您应该向右走,应将手机向左偏")elif t[0] < 0 and yaw < 0:print("人在走廊中轴线右侧,手机摄像头角度偏左,您应该向左走,应将手机向右偏")elif t[0] > 0 and yaw < 0:print("人在走廊中轴线左侧, 手机摄像头角度偏左,您应该向右走,应将手机向右偏")elif t[0] < 0 and yaw > 0:print("人在走廊中轴线右侧,手机摄像头角度偏右,您应该向左走,应将手机向左偏")else:print("相机方向正前方")print(f"X方向平移: {t[0]}, Y方向平移: {t[1]}, Z方向平移: {t[2]}")print(f"Yaw 角度: {yaw}")def main():# 加载两张图片image1 = cv2.imread('/media/k1928-3/028efb59-765e-462b-8aa6-085565fa80eb/hxy/biaoding/weiziguji/DJI_0273.JPG', cv2.IMREAD_GRAYSCALE)image2 = cv2.imread('/media/k1928-3/028efb59-765e-462b-8aa6-085565fa80eb/hxy/biaoding/weiziguji/phone/ori_right.jpg', cv2.IMREAD_GRAYSCALE)# 假设你已知相机内参----数据库相机fx_src = 4282.03fy_src = 2960.54cx_src = 844.20cy_src = 552.00camera_matrix_src = np.array([[fx_src, 0, cx_src],[0, fy_src, cy_src],[0, 0, 1]], dtype=float)# 手机相机fx_dst = 2934.52fy_dst = 2934.89cx_dst = 1466.29cy_dst = 2020.34camera_matrix_dst = np.array([[fx_dst, 0, cx_dst],[0, fy_dst, cy_dst],[0, 0, 1]], dtype=float)# 检测关键点和计算描述符keypoints1, descriptors1 = find_keypoints_and_descriptors(image1)keypoints2, descriptors2 = find_keypoints_and_descriptors(image2)# 匹配关键点good_matches = match_keypoints(descriptors1, descriptors2)# 记录开始时间start_time = time.time()# 使用八点法估计相机的相对位姿R, t = estimate_relative_pose_eight_point(keypoints1, keypoints2, good_matches, camera_matrix_src, camera_matrix_dst)# 联合判断相机的方向determine_camera_direction(t, R)# 记录结束时间并计算总时间end_time = time.time()elapsed_time = (end_time - start_time) * 1000  # 转换为毫秒print(f"求解位姿总耗时:{elapsed_time:.6f} 毫秒")if __name__ == "__main__":main()

注意:提取特征的时间是6s,特征匹配的时间是6秒,求解位姿的旋转和平移,所需要的时间不多

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