【立体视觉】世界坐标系、相机坐标系、图像坐标系、像素坐标系之间的关系

拼搏现实的明天。 2022-04-11 08:10 737阅读 0赞

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

他们之间的转换关系为：   
u=xdx+u0  
u=xdx+u0

v=ydy+v0  
v=ydy+v0

采用齐次坐标再用矩阵形式将上式表示为：   
⎡⎣⎢uv1⎤⎦⎥=⎡⎣⎢⎢1dx0001dy0u0v01⎤⎦⎥⎥⎡⎣⎢xy1⎤⎦⎥（1）  
\[uv1\]=\[1dx0u001dyv0001\]\[xy1\]（1）

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

xf=XCZC  
xf=XCZC

yf=YCZC  
yf=YCZC

其中 f 为焦距（像平面与相机坐标系原点的距离）。用齐次坐标系和矩阵表示上述关系：   
ZC⎡⎣⎢xy1⎤⎦⎥=⎡⎣⎢f000f0001000⎤⎦⎥⎡⎣⎢⎢⎢XCYCZC1⎤⎦⎥⎥⎥（2）  
ZC\[xy1\]=\[f0000f000010\]\[XCYCZC1\]（2）  
相机坐标系与世界坐标系的关系

⎡⎣⎢⎢⎢XCYCZC1⎤⎦⎥⎥⎥=\[R0Tt1\]⎡⎣⎢⎢⎢XYZ1⎤⎦⎥⎥⎥（3）  
\[XCYCZC1\]=\[Rt0T1\]\[XYZ1\]（3）

其中 R 为3 × 3正交旋转矩阵，t 为三维平移向量。  
像素坐标系与世界坐标系的关系

由式（1）（2）（3）可得：

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作者：ZealCV   
来源：CSDN   
原文：https://blog.csdn.net/u011574296/article/details/73658560   
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