相机位姿估计1：根据四个特征点估计相机姿态
http://www.cnblogs.com/singlex/p/pose_estimation_1.html
关键词：位姿估计 OpenCV::solvePnP
用途：各种位姿估计
文章类型：原理、流程、Demo示例
@Author：VShawn([email protected])
@Date:2016-11-18
@Lab: CvLab202@CSU
目录
- 《相机位姿估计0：基本原理之如何解PNP问题》
- 《相机位姿估计1：根据四个特征点估计相机姿态》
- 《相机位姿估计1_1：OpenCV:solvePnP二次封装与性能测试》
- 《相机位姿估计2：[应用]实时位姿估计与三维重建相机姿态》
- 《相机位姿估计3：根据两幅图像的位姿估计结果求某点的世界坐标》
前言
本文通过迭代法解PNP问题，得到相机坐标系关于世界坐标系的旋转矩阵R与平移矩阵T后，根据之前的文章《根据相机旋转矩阵求解三个轴的旋转角》获得相机坐标系的三轴旋转角，实现了对相机位姿的估计。知道相机在哪后，我们就可以通过两张照片，计算出照片中某个点的高度，实现对环境的测量。
先看演示视频：
原理简介
相机位姿估计就是通过几个已知坐标的特征点，以及他们在相机照片中的成像，求解出相机位于坐标系内的坐标与旋转角度，其核心问题就在于对PNP问题的求解，这部分本文不再啰嗦，参见本人之前的博客文章《相机位姿估计0：基本原理之如何解PNP问题》。本文中对pnp问题的求解直接调用了OpenCV的库函数"solvePnP"，其函数原型为：
bool solvePnP(InputArray objectPoints, InputArray imagePoints, InputArray cameraMatrix, InputArray distCoeffs, OutputArray rvec, OutputArray tvec, bool useExtrinsicGuess=false, int flags=ITERATIVE )
第一个输入objectPoints为特征点的世界坐标，坐标值需为float型，不能为double型，可以输入mat类型，也可以直接输入vector
第二个输入imagePoints为特征点在图像中的坐标，需要与前面的输入一一对应。同样可以输入mat类型，也可以直接输入vector
第三个输入cameraMatrix为相机内参数矩阵，大小为3×3，形式为：
第四个输入distCoeffs输入为相机的畸变参数，为1×5的矩阵。
第五个rvec为输出矩阵，输出解得的旋转向量。
第六个tvec为输出平移向量。
第七个设置为true后似乎会对输出进行优化。
最后的输入参数有三个可选项：
CV_ITERATIVE，默认值，它通过迭代求出重投影误差最小的解作为问题的最优解。
CV_P3P则是使用非常经典的Gao的P3P问题求解算法。
CV_EPNP使用文章《EPnP: Efficient Perspective-n-Point Camera Pose Estimation》中的方法求解。
流程
1.从函数的原型看出函数需要相机的内参数与畸变参数，于是相机标定是必不可少的，通过OpenCV自带例程或者Matlab的相机标定工具箱都可以很方便地求出相机标定参数。
2.准备好四个特征点的世界坐标，存入Mat矩阵
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vector
Points3D.push_back(cv::Point3f(0, 0, 0));
//P1 三维坐标的单位是毫米
Points3D.push_back(cv::Point3f(0, 200, 0));
//P2
Points3D.push_back(cv::Point3f(150, 0, 0));
//P3
Points3D.push_back(cv::Point3f(150, 200, 0));
//P4
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3.准备好四个特征点在图像上的对应点坐标，这个坐标在实验中我是通过PhotoShop数出来的。注意，输入坐标的顺序一定要与之前输入世界坐标的顺序一致，就是说点与点要对应上，OpenCV的函数无法解决点与点匹配的问题（对应搜索问题）。
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vector
Points2D.push_back(cv::Point2f(3062, 3073));
//P1 单位是像素
Points2D.push_back(cv::Point2f(3809, 3089));
//P2
Points2D.push_back(cv::Point2f(3035, 3208));
//P3
Points2D.push_back(cv::Point2f(3838, 3217));
//P4
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4.创建输出变量，即旋转矩阵跟平移矩阵的变量。最后调用函数。
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//初始化输出矩阵
cv::Mat rvec = cv::Mat::zeros(3, 1, CV_64FC1);
cv::Mat tvec = cv::Mat::zeros(3, 1, CV_64FC1);
//三种方法求解
solvePnP(Points3D, Points2D, camera_matrix, distortion_coefficients, rvec, tvec,
false
, CV_ITERATIVE);
//实测迭代法似乎只能用共面特征点求位置
//solvePnP(Points3D, Points2D, camera_matrix, distortion_coefficients, rvec, tvec, false, CV_P3P); //Gao的方法可以使用任意四个特征点
//solvePnP(Points3D, Points2D, camera_matrix, distortion_coefficients, rvec, tvec, false, CV_EPNP);
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5将输出的旋转向量转变为旋转矩阵
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//旋转向量变旋转矩阵
double
rm[9];
cv::Mat rotM(3, 3, CV_64FC1, rm);
Rodrigues(rvec, rotM);
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6.最后根据《根据相机旋转矩阵求解三个轴的旋转角》一文求出相机的三个旋转角，根据《子坐标系C在父坐标系W中的旋转》求出相机在世界坐标系中的位置。
至此，我们就求出了相机的位姿。
实验
本人在实验中先后使用了两台相机做测试，一台是畸变较小的sony a6000微单+35mm定焦镜头，另一台是畸变较重的130w的工业相机+6mm定焦广角镜头，实验中两台相机都得到了正确的位姿结果，此处为了方便只用α6000微单做演示说明。
如上图所示，四个特征点P1-P4的世界坐标与像素坐标都已在图中标明，P5用于重投影验证位姿解是否正确。
相机实际位姿大约为：
粗略读出卷尺读数，得到相机的世界坐标大约为(520,0,330)。细心的读者应该发现了，上面几张图的特征点不一样了，其实是我中途重新做了一张特征点图，重新安放实验装置的时候已经尽量按照(520,0,330)这个坐标去安放了，但误差肯定是不可避免的。
把参数输入例程中，得到结果，计算出相机的世界坐标：
也就是(528.6,-2.89,358.6)，跟实际情况还是差不多的。
同时还得到了x y z轴的三个旋转角
自己动手转一转相机，发现也是对的。
对P5点重投影，投影公式为：
结果为：
误差在10pix以内，结果也是正确的，于是验证完毕。
P.S.经本人测试发现，solvePnP提供的三种算法都能对相机位姿进行估计，虽然三者直接解出的结果略有不同，但都在误差范围之内。其中solvePnP的默认方法迭代法，似乎只能使用共面的四个特征点求位姿，一旦有一个点不共面，解出的结果就会不对。
例程
最后给出例程，例程基于VS2013开发，使用的是OpenCV2.4.X，大家运行前需要将opencv的路径重新配置成自己电脑上的，不懂的话参考我的博客《OpenCV2+入门系列（一）：OpenCV2.4.9的安装与测试》。例程中提供两张照片，其中DSC03323就是"实验"中所用图片，例程在计算完成后，会在D盘根目录下生成两个txt，分别存储：相机在世界坐标系的坐标、相机的三个旋转角。
下载地址：
CSDN：http://download.csdn.net/detail/wx2650/9688155
GIT：https://github.com/vshawn/Shawn_pose_estimation_by_opencv
最后
我现在在外地出差，演示视频里的东西就下一篇文章中再说了，敬请期待。