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本文作者：白裳

https://zhuanlan.zhihu.com/p/74597564

本文已由原作者授權(quán)，不得擅自二次轉(zhuǎn)載

單應(yīng)性原理被廣泛應(yīng)用于圖像配準(zhǔn)，全景拼接，機(jī)器人定位SLAM，AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。這篇文章從基礎(chǔ)圖像坐標(biāo)知識(shí)系為起點(diǎn)，講解圖像變換與坐標(biāo)系的關(guān)系，介紹單應(yīng)性矩陣計(jì)算方法，并分析深度學(xué)習(xí)在單應(yīng)性方向的進(jìn)展。

本文為入門級(jí)文章，希望能夠幫助讀者快速了解相關(guān)內(nèi)容。

目錄
一 圖像變換與平面坐標(biāo)系的關(guān)系
二 平面坐標(biāo)系與齊次坐標(biāo)系
三 單應(yīng)性變換
四 深度學(xué)習(xí)在單應(yīng)性方向的進(jìn)展單應(yīng)性估計(jì)在圖像拼接中的應(yīng)用

一 圖像變換與平面坐標(biāo)系的關(guān)系

• 旋轉(zhuǎn)：

將圖形圍繞原點(diǎn)??逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)??角，用解析式表示為：

旋轉(zhuǎn)

寫成矩陣乘法形式：

• 平移：

平移

但是現(xiàn)在遇到困難了，平移無法寫成和上面旋轉(zhuǎn)一樣的矩陣乘法形式。所以引入齊次坐標(biāo)??，再寫成矩陣形式：

其中??表示單位矩陣，而??表示平移向量。

那么就可以把把旋轉(zhuǎn)和平移統(tǒng)一寫在一個(gè)矩陣乘法公式中，即剛體變換：

而旋轉(zhuǎn)矩陣??是正交矩陣(??)。

剛體變換：旋轉(zhuǎn)+平移(正方形-正方形)

• 仿射變換

其中??可以是任意2x2矩陣(與??一定是正交矩陣不同)。

仿射變換(正方形-平行四邊形)

可以看到，相比剛體變換(旋轉(zhuǎn)和平移)，仿射變換除了改變目標(biāo)位置，還改變目標(biāo)的形狀，但是會(huì)保持物體的“平直性”。

不同??和??矩陣對(duì)應(yīng)的各種基本仿射變換：

• 投影變換(單應(yīng)性變換)

投影變換(正方形-任意四邊形)

簡(jiǎn)單說，投影變換徹底改變目標(biāo)的形狀。

總結(jié)一下：

剛體變換：平移+旋轉(zhuǎn)，只改變物體位置，不改變物體形狀

仿射變換：改變物體位置和形狀，但是保持“平直性”

投影變換：徹底改變物體位置和形狀

注：上圖“投影變換”應(yīng)該是“任意四邊形”

我們來看看完整投影變換矩陣各個(gè)參數(shù)的物理含義：

其中??代表仿射變換參數(shù)，??代表平移變換參數(shù)。

而??表示一種“變換后邊緣交點(diǎn)“關(guān)系，如：

至于??則是一個(gè)與??相關(guān)的縮放因子。

一般情況下都會(huì)通過歸一化使得??(原因見下文)。

二 平面坐標(biāo)系與齊次坐標(biāo)系

問題來了，齊次坐標(biāo)到底是什么？

齊次坐標(biāo)系??與常見的三維空間坐標(biāo)系??不同，只有兩個(gè)自由度：

而??(其中??)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)??和??的縮放尺度。當(dāng)??時(shí)：

特別的當(dāng)??時(shí)，對(duì)應(yīng)無窮遠(yuǎn)：

三 單應(yīng)性變換

• 單應(yīng)性是什么？

此處不經(jīng)證明的給出：同一個(gè)?[無鏡頭畸變]?的相機(jī)從不同位置拍攝?[同一平面物體]?的圖像之間存在單應(yīng)性，可以用?[投影變換]?表示 。

注意：單應(yīng)性成立是有條件的！

簡(jiǎn)單說就是：

其中??是Left view圖片上的點(diǎn)，??是Right view圖片上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。

• 那么這個(gè)??單應(yīng)性矩陣如何求解呢？

更一般的，每一組匹配點(diǎn)??有

由平面坐標(biāo)與齊次坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系??，上式可以表示為：

進(jìn)一步變換為：

寫成矩陣??形式：

也就是說一組匹配點(diǎn)??可以獲得2組方程。

• 單應(yīng)性矩陣8自由度

注意觀察：單應(yīng)性矩陣??與??其實(shí)完全一樣(其中?)，例如：

即點(diǎn)??無論經(jīng)過??還是??映射，變化后都是??。

如果使??，那么有:

所以單應(yīng)性矩陣??雖然有9個(gè)未知數(shù)，但只有8個(gè)自由度。

在求??時(shí)一般添加約束??(也有用??約束)，所以還有??共8個(gè)未知數(shù)。由于一組匹配點(diǎn)??對(duì)應(yīng)2組方程，那么只需要??組不共線的匹配點(diǎn)即可求解??的唯一解。

XIAOMI9拍攝，有鏡頭畸變

OpenCV已經(jīng)提供了相關(guān)API，代碼和變換結(jié)果如下。

import im2_warp = cv2.warpPerspective(im2, H, (w, h))

可以看到：

紅框所在平面上內(nèi)容基本對(duì)齊，但受到鏡頭畸變影響無法完全對(duì)齊；

平面外背景物體不符合單應(yīng)性原理，偏離很大，完全無法對(duì)齊。

• 傳統(tǒng)方法估計(jì)單應(yīng)性矩陣

一般傳統(tǒng)方法估計(jì)單應(yīng)性變換矩陣，需要經(jīng)過以下4個(gè)步驟：

提取每張圖SIFT/SURF/FAST/ORB等特征點(diǎn)

提取每個(gè)特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的描述子

通過匹配特征點(diǎn)描述子，找到兩張圖中匹配的特征點(diǎn)對(duì)(這里可能存在錯(cuò)誤匹配)

使用RANSAC算法剔除錯(cuò)誤匹配

求解方程組，計(jì)算Homograph單應(yīng)性變換矩陣

示例代碼如下：

#coding:utf-8

相關(guān)內(nèi)容網(wǎng)上資料較多，這里不再重復(fù)造輪子。需要說明，一般情況計(jì)算出的匹配的特征點(diǎn)對(duì)??數(shù)量都有??，此時(shí)需要解超定方程組(類似于求解線性回歸)。

四 深度學(xué)習(xí)在單應(yīng)性方向的進(jìn)展

• HomographyNet(深度學(xué)習(xí)end2end估計(jì)單應(yīng)性變換矩陣)

HomographyNet是發(fā)表在CVPR 2016的一種用深度學(xué)習(xí)計(jì)算單應(yīng)性變換的網(wǎng)絡(luò)，即輸入兩張圖，直接輸出單應(yīng)性矩陣??。

在之前的分析中提到，只要有4組??匹配點(diǎn)即可計(jì)算??的唯一解。

相似的，只要有4組??也可以計(jì)算出??的唯一解：

其中??且??。

分析到這里，如果要計(jì)算??，網(wǎng)絡(luò)輸出可以有以下2種情況：

Regression：網(wǎng)絡(luò)直接輸出??共8個(gè)數(shù)值

這樣設(shè)置網(wǎng)絡(luò)非常直觀，使用L2損失訓(xùn)練，測(cè)試時(shí)直接輸出8個(gè)float values，但是沒有置信度confidence。即在使用網(wǎng)絡(luò)時(shí)，無法知道當(dāng)前輸出單應(yīng)性可靠程度。

2. Classification：網(wǎng)絡(luò)輸出??共8個(gè)值的量化值+confidence

這時(shí)將網(wǎng)絡(luò)輸出每個(gè)??和??量化成21個(gè)區(qū)間，用分類的方法判斷落在哪一個(gè)區(qū)間。訓(xùn)練時(shí)使用Softmax損失。相比回歸直接輸出數(shù)值，量化必然會(huì)產(chǎn)生誤差，但是能夠輸出分類置信度評(píng)判當(dāng)前效果好壞，更便于實(shí)際應(yīng)用。

另外HomographyNet訓(xùn)練時(shí)數(shù)據(jù)生成方式也非常有特色。

首先在隨機(jī)??位置獲取正方形圖像塊Patch A

然后對(duì)正方形4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)擾動(dòng)，同時(shí)獲得4組?

再通過4組??計(jì)算?

最后將圖像通過??變換，在變換后圖像??位置獲取正方形圖像塊Patch B

那么圖像塊A和圖像塊B作為輸入，4組??作為監(jiān)督Label，進(jìn)行訓(xùn)練

可以看到，在無法提取足夠特征點(diǎn)的弱紋理區(qū)域，HomographyNet相比傳統(tǒng)方法確實(shí)有一定的優(yōu)勢(shì)：

• Spatial Transformer Networks(直接對(duì)CNN中的卷積特征進(jìn)行變換)

其實(shí)早在2015年，就已經(jīng)有對(duì)CNN中的特征進(jìn)行變換的STN結(jié)構(gòu)。

假設(shè)有特征層??，經(jīng)過卷積變?yōu)??，可以在他們之間插入STN結(jié)構(gòu)。這樣就可以直接學(xué)習(xí)到從特征??上的點(diǎn)??映射到特征??對(duì)應(yīng)點(diǎn)??的仿射變換。

其中??對(duì)應(yīng)STN中的仿射變換參數(shù)。STN直接在特征維度進(jìn)行變換，且可以插入輕松任意兩層卷積中。

• DELF: DEep Local Features(深度學(xué)習(xí)提取特征點(diǎn)與描述子)

之前提到傳統(tǒng)方法使用SIFT和Surf等特征點(diǎn)估計(jì)單應(yīng)性。顯然單應(yīng)性最終估計(jì)準(zhǔn)確度嚴(yán)重依賴于特征點(diǎn)和描述子性能。Google在ICCV 2017提出使用使用深度學(xué)習(xí)提取特征點(diǎn)。

tensorflow/models/delfgithub.com

考慮到篇幅，這里不再展開DELF，請(qǐng)有興趣的讀者自行了解相關(guān)內(nèi)容。

下載1：動(dòng)手學(xué)深度學(xué)習(xí)

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下載2：CVPR /? ECCV 2020開源代碼

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總結(jié)

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