立体视觉中各个坐标系

一，标定原理

相机标定简单来说是从世界坐标系转换到图像坐标系的过程，也就是求最终的投影矩阵的过程。

基本的坐标系：世界坐标系、相机坐标系、成像平面坐标系、像素坐标系。

一般来说，标定的过程分为两个部分：

          1、从世界坐标系转到相机坐标系，这一步是三维点到三维点的转换。

          2、从相机坐标系转为像素坐标系，这一步是三维点到二维点的转换。

二、基本知识

1、相机模型

 

相机的成像过程涉及到四个坐标系：世界坐标系、相机坐标系、图像坐标系、像素坐标系。这篇博客介绍相机的成像过程，以及四个坐标系之间的装换关系。

相机理想成像模型：

世界坐标系：

客观三维世界的绝对坐标系，也称客观坐标系。因为数码相机安放在三维空间中，我们需要世界坐标系这个基准坐标系来描述数码相机的位置，并且用它来描述安放在此三维环境中的其它任何物体的位置，用（X, Y, Z）表示其坐标值。

相机坐标系（光心坐标系）：

以相机的光心为坐标原点，X 轴和Y 轴分别平行于图像坐标系的 X 轴和Y 轴，相机的光轴为Z 轴，用（Xc, Yc, Zc）表示其坐标值。

图像坐标系：

以CCD 图像平面的中心为坐标原点，X轴和Y 轴分别平行于图像平面的两条垂直边，用( x , y )表示其坐标值。图像坐标系是用物理单位（例如毫米）表示像素在图像中的位置。

像素坐标系：

以 CCD 图像平面的左上角顶点为原点，X 轴和Y 轴分别平行于图像坐标系的 X 轴和Y 轴，用(u , v )表示其坐标值。数码相机采集的图像首先是形成标准电信号的形式，然后再通过模数转换变换为数字图像。每幅图像的存储形式是M × N的数组，M 行 N 列的图像中的每一个元素的数值代表的是图像点的灰度。这样的每个元素叫像素，像素坐标系就是以像素为单位的图像坐标系。

已知一个现实世界中的物体点的在世界坐标系中的坐标为（X, Y, Z），经过相机拍摄得到图片，在图片上的像素坐标为(u , v )。假设在图像坐标系中的坐标为( x , y )，在相机坐标系中的坐标为（Xc, Yc, Zc）。各个坐标之间的转化如下：

像素坐标系与图像坐标系的关系：

 其中（u0, v0）是图像坐标系原点在像素坐标系中的坐标，dx 和 dy分别是每个像素在图像平面x和 y方向上的物理尺寸。

图像坐标系与相机坐标系的关系：

 相机坐标系与世界坐标系的关系： 

像素坐标系与世界坐标系的关系：

由式（1）（2）（3）可得：