Geometry of image formation

Podobné dokumenty
Gymnázium, Brno, Slovanské nám. 7 WORKBOOK. Mathematics. Teacher: Student:

VY_32_INOVACE_06_Předpřítomný čas_03. Škola: Základní škola Slušovice, okres Zlín, příspěvková organizace

WORKSHEET 1: LINEAR EQUATION 1

CZ.1.07/1.5.00/ Zefektivnění výuky prostřednictvím ICT technologií III/2 - Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

USING VIDEO IN PRE-SET AND IN-SET TEACHER TRAINING

Tento materiál byl vytvořen v rámci projektu Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost.

EU peníze středním školám digitální učební materiál

GUIDELINES FOR CONNECTION TO FTP SERVER TO TRANSFER PRINTING DATA

Present Perfect x Past Simple Předpřítomný čas x Minulý čas Pracovní list

Projekt: ŠKOLA RADOSTI, ŠKOLA KVALITY Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/ EU PENÍZE ŠKOLÁM

Využití hybridní metody vícekriteriálního rozhodování za nejistoty. Michal Koláček, Markéta Matulová

Czech Republic. EDUCAnet. Střední odborná škola Pardubice, s.r.o.

Škola: Střední škola obchodní, České Budějovice, Husova 9. Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

VY_22_INOVACE_60 MODAL VERBS CAN, MUST

Informace o písemných přijímacích zkouškách. Doktorské studijní programy Matematika

Střední průmyslová škola strojnická Olomouc, tř.17. listopadu 49

Střední průmyslová škola strojnická Olomouc, tř.17. listopadu 49

Střední průmyslová škola strojnická Olomouc, tř.17. listopadu 49

Introduction to MS Dynamics NAV

Výukový materiál zpracovaný v rámci operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost

1, Žáci dostanou 5 klíčových slov a snaží se na jejich základě odhadnout, o čem bude následující cvičení.

CZ.1.07/1.5.00/

Project 3 Unit 7B Kelly s problem

AJ 3_16_Prague.notebook. December 20, úvodní strana

LOGBOOK. Blahopřejeme, našli jste to! Nezapomeňte. Prosím vyvarujte se downtrade

CZ.1.07/1.5.00/

II/2 Inovace a zkvalitnění výuky cizích jazyků na středních školách

II_ _Listening Pracovní list č. 2.doc II_ _Listening Pracovní list č. 3.doc II_ _Listening Řešení 1,2.doc

Mut goes shopping VY_22_INOVACE_27. Vzdělávací oblast: Jazyk a jazyková komunikace. Vzdělávací obor: Anglický jazyk. Ročník: 6

PSANÍ. M e t o d i c k é p o z n á m k y k z á k l a d o v é m u t e x t u :

Algebraic methods in Computer Vision Zuzana Kukelova, Tomas Pajdla, Martin Bujnak

Eurogranites 2015 Variscan Plutons of the Bohemian Massif

SEZNAM PŘÍLOH. Příloha 1 Dotazník Tartu, Estonsko (anglická verze) Příloha 2 Dotazník Praha, ČR (česká verze)... 91

Budějovice Název materiálu: Reported Speech. Datum (období) vytvoření: Srpen Autor materiálu: PhDr. Dalibor Vácha PhD. Zařazení materiálu:

Projekt: ŠKOLA RADOSTI, ŠKOLA KVALITY Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/ EU PENÍZE ŠKOLÁM

18.VY_32_INOVACE_AJ_UMB18, Frázová slovesa.notebook. September 09, 2013

Škola: Střední škola obchodní, České Budějovice, Husova 9. Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

Střední škola obchodní, České Budějovice, Husova 9, VY_INOVACE_ANJ_741. Škola: Střední škola obchodní, České Budějovice, Husova 9

Theme 6. Money Grammar: word order; questions

CHAIN TRANSMISSIONS AND WHEELS

Anglický jazyk 5. ročník

EXACT DS OFFICE. The best lens for office work

Výukový materiál zpracovaný v rámci projektu EU peníze do škol. illness, a text

Byznys a obchodní záležitosti

CZ.1.07/1.5.00/ Zefektivnění výuky prostřednictvím ICT technologií III/2 - Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

II/2 Inovace a zkvalitnění výuky cizích jazyků na středních školách

Anotace Mgr. Filip Soviš (Autor) Angličtina, čeština Speciální vzdělávací potřeby - žádné -

Anotace Mgr. Filip Soviš (Autor) Angličtina, čeština Speciální vzdělávací potřeby - žádné -

The Czech education system, school

Invitation to ON-ARRIVAL TRAINING COURSE for EVS volunteers

Comparation of mobile

Instrukce: Cvičný test má celkem 3 části, čas určený pro tyto části je 20 minut. 1. Reading = 6 bodů 2. Use of English = 14 bodů 3.

Výukový materiál zpracovaný v rámci operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost

Database systems. Normal forms

Základy teorie front III

Angličtina v matematických softwarech 2 Vypracovala: Mgr. Bronislava Kreuzingerová

MASS MEDIA. III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT. Anglický jazyk Třída 3.A Téma hodiny Druh materiálu

PŘEDPŘÍTOMNÝ průběhový ČAS (PRESENT PERFECT continuous TENSE) - cvičení

Gymnázium, Brno, Slovanské nám. 7, SCHEME OF WORK Mathematics SCHEME OF WORK. cz

Digitální učební materiál

Střední průmyslová škola strojnická Olomouc, tř.17. listopadu 49

Škola: Střední škola obchodní, České Budějovice, Husova 9. Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT

DUM DIGITÁLNÍ UČEBNÍ MATERIÁL ANGLIČTINA. Mgr. Kateřina Kasanová

Are you a healthy eater?

Compression of a Dictionary


Název projektu: Multimédia na Ukrajinské

VY_22_INOVACE_číslo přílohy 1_AJ_6A_29. Úvodní část seznámení s cílem hodiny pohádka The Ugly Ducklings

Výukový materiál zpracován v rámci projektu EU peníze školám

DC circuits with a single source

Číslo materiálu: VY 32 INOVACE 29/18. Číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/

Friction drives have constant or variable drives (it means variators). Friction drives are used for the transfer of smaller outputs.

Digitální učební materiál

POSLECH. Cinema or TV tonight (a dialogue between Susan and David about their plans for tonight)

Transportation Problem

Jak importovat profily do Cura (Windows a

VY_22_INOVACE_CJ_III/2.21

Přítomný čas prostý/ průběhový. Present simple/ present continuous. Výhradní výukový materiál portálu onlinejazyky.cz

Tento materiál byl vytvořen v rámci projektu Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost.

VY_22_INOVACE_84. P3 U3 Revision

FILM REVIEW. Vytvořeno v rámci projektu Gymnázium Sušice Brána vzdělávání II

Modal Verbs Způsobová slovesa Pracovní list

The Over-Head Cam (OHC) Valve Train Computer Model

Verb + -ing or infinitive

Střední průmyslová škola strojnická Olomouc, tř.17. listopadu 49

POSLECH. Kate and Jim are friends. It's Thursday afternoon and they are talking about their free time activities.

kupi.cz Michal Mikuš

Why PRIME? 20 years of Erasmus Programme Over 2 million students in total Annually

FIRE INVESTIGATION. Střední průmyslová škola Hranice. Mgr. Radka Vorlová. 19_Fire investigation CZ.1.07/1.5.00/

Střední odborná škola stavební a Střední odborné učiliště stavební Rybitví

Just write down your most recent and important education. Remember that sometimes less is more some people may be considered overqualified.

7.VY_32_INOVACE_AJ_UMB7, Tázací dovětky.notebook. September 08, 2013

Caroline Glendinning Jenni Brooks Kate Gridley. Social Policy Research Unit University of York

Jméno autora: Mgr. Alena Chrastinová Datum vytvoření: Číslo DUMu: VY_32_INOVACE_14_AJ_G

Náhradník Náhradník 5.A

5.VY_32_INOVACE_AJ_UMB5, Vztažné věty.notebook. September 09, 2013

EU PENÍZE ŠKOLÁM Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost

Energy vstupuje na trh veterinárních produktů Energy enters the market of veterinary products

Konverzace v AJ? Jak motivovat nemotivované

Vánoční sety Christmas sets

Transkript:

eometry of image formation Tomáš Svoboda, svoboda@cmp.felk.cvut.cz Czech Technical University in Prague, Center for Machine Perception http://cmp.felk.cvut.cz Last update: July 4, 2008 Talk Outline Pinhole model Camera parameters Estimation of the parameters Camera calibration

Motivation 2/47 parallel lines window sizes image units distance from the camera

What will we learn 3/47 how does the 3D world project to 2D image plane? how is a camera modeled? how can we estimate the camera model?

Pinhole camera 4/47 http://en.wikipedia.org/wiki/pinhole camera

Camera Obscura 5/47 2 2 http://en.wikipedia.org/wiki/camera obscura

Camera Obscura room-sized 6/47 Used by the art department at the UNC at Chapel Hill 3 3 http://en.wikipedia.org/wiki/camera obscura

D Pinhole camera 7/47

D Pinhole camera projects 2D to D 8/47 image plane x f C z optical axis x Z Z 2 Z 3 x f = Z x = f Z

Problems with perspective I 9/47 image plane x 2 f x 2 C z Z Z 2 Z 3 optical axis = 2 x x 2

Problems with perspective II 0/47 image plane x 2 3 f x 23 C z optical axis Z 2 Z 3 2 3 x 2 = x 3

et rid of the ( ) sign /47 image plane x image plane 2 3 f x 23 x 23 C f z Z Z 2 optical axis Z 3

2/47 How does the 3D world project to the 2D image plane?

A 3D point in a world coordinate system 3/47 z [0, 0, 0] x y C

A pinhole camera observes a scene 4/47 z [0, 0, 0] x y C

Point projects to the image plane, point x 5/47 z [0, 0, 0] x y x C

Scene projection 6/47 z [0, 0, 0] x y x C

Scene projection 7/47 z [0, 0, 0] x y C

3D Scene projection observations 8/47 3D lines project to 2D lines but the angles change, parallel lines are no more parallel. area ratios change, note the front and backside of the house C

Put the sketches into equations 9/47

3D 2D Projection 20/47 We remember that: x = [ f Z, fy Z ] [ x ] f fy Z [ x ] f 0 f 0 0 [ ] x Use the homegeneous coordinates 4 λ [ ] x [3 ] = K [3 3] [ I 0 ] [4 ] but... C 4 for the notation conventions, see the talk notes

... we need the in camera coordinate system otate the vector: z 2/47 = ( w C w ) is a 3 3 rotation matrix. The point coordinates are now in the camera frame. Use homogeneous coordinates to get a matrix equation cam w x [0, 0, 0] y [ ] = [ Cw 0 ] [ w ] x C w The camera center C w is often replaced by the translation vector C t = C w

External (extrinsic parameters) The translation vector t and the rotation matrix are called External parameters of the camera. x K [ I 0 ] [ ] w z [0, 0, 0] 22/47 λx = K [ t ] [ w ] cam x y C w Camera parameters (so far): f,, t Is it all? What can we model? x C

What is the geometry good for? 23/47 video: Zoom out vs. motion away from scene How would you characterize the difference? Would you guess the motion type?

What is the geometry good for? 24/47 video: Zoom out vs. motion away from scene

25/47 Enough geometry 5, look at real images 5 just for a moment

From geometry to pixels and back again 26/47 00 200 300 400 500 600 700 00 200 300 400 500 600 700 800 900 000

Problems with pixels 27/47 00 200 300 400 500 600 700 00 200 300 400 500 600 700 800 900 000

Is this a stright line? 28/47 9 70 22 272 323 59 0 6 22 263 34 365 46 467 58 569 620 67 722 773 824 875 926 977

Problems with pixels 29/47 00 200 300 400 500 600 700 00 200 300 400 500 600 700 800 900 000

What are we looking at? 30/47 373 374 375 376 377 378 379 380 38 382 383 384 385 386 507 508 509 50 5 52 53 54 55 56 57 58 59 520 52 522 523 524 525

Did you recognize it? 3/47 00 200 300 400 500 600 700 00 200 300 400 500 600 700 800 900 000

Pixel images revisited 32/47 373 00 200 9 374 375 376 300 70 377 378 400 22 379 380 500 600 700 272 323 38 382 383 384 385 00 200 300 400 500 600 700 800 900 000 59 0 6 22 263 34 365 46 467 58 569 620 67 722 773 824 875 926 977 386 507 508 509 50 5 52 53 54 55 56 57 58 59 520 52 522 523 524 525 There are no negative coordinates. Where is the principal point? Lines are not lines any more. Pixels, considered independently, do not carry much information.

Pixel coordinate system Assume normalized geometrical coordinates x = [x, y, ] 33/47 u = m u ( x) + u 0 v = m v y + v 0 where m u, m v are sizes of the pixels and [u 0, v 0 ] are coordinates of the principal point. u v x 373 374 375 376 x 377 378 379 380 [u 0, v 0 ] y 38 382 383 384 385 386 507 508 509 50 5 52 53 54 55 56 57 58 59 520 52 522 523 524 525 C

Put pixels and geometry together From 3D to image coordinates: λx λy λ From normalized coordinates to pixels: Put them together: λ u v = = u v f 0 0 0 f 0 0 0 = fm u 0 u 0 0 fm v v 0 0 0 [ t ] [4 ] m u 0 u 0 0 m v v 0 0 0 [ t ] x y 34/47 Finally: u K [ t ] Introducing a 3 4 camera projection matrix P: u P

Non-linear distortion Several models exist. Less standardized than the linear model. We will consider a simple on-parameter radial distortion. x n denote the linear image coordinates, x d the distorted ones. 35/47 x d = ( + κr 2 )x n where κ is the distortion parameter, and r 2 = x 2 n + y 2 n is the distance from the principal point. Observable are the distorted pixel coordinates u d = Kx d Assume that we know κ. How to get the lines back?

Undoing adial Distortion 36/47 From pixels to distorted image coordinates: x d = K u d From distorted to linear image coordinates: x n = x d +κr 2 Where is the problem? r 2 = x 2 n + y 2 n. We have unknowns on both sides of the equation. Iterative solution:. initialize x n = x d 2. r 2 = x 2 n + y 2 n 3. compute x n = x d +κr 2 4. go to 2. (and repeat few times) And back to pixels u n = Kx n

Undoing adial Distortion 37/47 video

Estimation of camera parameters camera calibration The goal: estimate the 3 4 camera projection matrix P and possibly the parameters of the non-linear distortion κ from images. Assume a known projection [u, v] of a 3D point with known coordinates λu P λv = P Y 2 λ P Z 3 λu λ = P λv P and 3 λ = P 2 P 3 e-arrange and assume 6 λ 0 to get set of homegeneous equations u P 3 P = 0 v P 3 P 2 = 0 38/47 6 see some notes about λ = 0 in the talk notes

Estimation of the P matrix 39/47 u P 3 P = 0 v P 3 P 2 = 0 e-shuffle into a matrix form: [ 0 u } 0 {{ v } A [2 2] ] P P 2 P 3 } {{ } p [2 ] = 0 [2 ] A correspondece u i i forms two homogeneous equations. P has 2 parameters but scale does not matter. We need at least 6 2D 3D pairs to get a solution. We constitute A [ 2 2] data matrix and solve p = argmin Ap subject to p = which is a constrained LSQ problem. p minimizes algebraic error

Decomposition of P into the calibration parameters 40/47 P = [ K Kt ] and C = t We know that should be 3 3 orthonormal, and K upper triangular. P = P./norm(P(3,:3)); [K,] = rq(p(:,:3)); t = inv(k)*p(:,4); C = - *t; See the slide notes for more details.

An example of a calibration object 4/47

42/47 2D projections localized 0.43 0.72 0.92 0.55 0.50 0.33 0.65 0.82 0.63 0.40 5.65 3.7 4.3 0.39 0.56 0.53 0.22 4.99 0.47 2.73 0.78 0.34 0.22 0.46 0.4 2.28 2.64 5.44 4.50 0.35 0.79 2.65 0.54 0.43 0.2 0.45 0.82 0.56 0.3 0.30 2.79 2.35 2.59 3.82 4.78 0.62 0.46 0.36 0.36 0.27 2.2 6.9 2.77 2.62 3.96 6.43 5.98 2.70 2.29 7.74 4.37 2.76 2.44 2.85 2.85 2.84 3.85 2.54 2.59 6.27 505.79 5.27 3.57 3.43 6.32 4.52 2.73 2.85 2.0 6.36 2.97 3.4 2.7 6.56 503.36 2.2 8.23 502.59 2.0 503.4 2.9 5.05 8.55 2.75 2.95 8.39 503.38 4.64 6.2 2.08.78 3.99 4.66 2.56 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 7 7 7 7 00 200 300 400 500 600 50 00 50 200 250 300 350 400 450

eprojection for linear model 43/47 50 00 50 200 250 300 350 400 450 00 200 300 400 500 600

eprojection for full model 44/47 50 00 50 200 250 300 350 400 450 00 200 300 400 500 600

eprojection errors comparison between full and linear model 45/47 6 5 sorted 2D reprojection errors full model linear model 4 pixels 3 2 0 0 20 40 60 80 00 20

eferences The book [2] is the ultimate reference. It is a must read for anyone wanting use cameras for 3D computing. Details about matrix decompositions used throughout the lecture can be found at [] [] ene H. olub and Charles F. Van Loan. Matrix Computation. Johns Hopkins Studies in the Mathematical Sciences. Johns Hopkins University Press, Baltimore, USA, 3rd edition, 996. [2] ichard Hartley and Andrew Zisserman. Multiple view geometry in computer vision. Cambridge University, Cambridge, 2nd edition, 2003. 46/47

End 47/47

image plane x f x C z Z Z 2 Z 3 optical axis x f = Z x = f Z

image plane x 2 f x 2 C z optical axis Z Z 2 = 2 x x 2 Z 3

image plane x 2 3 f x 23 C z optical axis Z 2 Z 3 2 3 x 2 = x 3

image plane x image plane 2 3 f x 23 x 23 C f z Z Z 2 optical axis Z 3

C z [0, 0, 0] x y

C z [0, 0, 0] x y

C z [0, 0, 0] x y x

C z [0, 0, 0] x y x

C z [0, 0, 0] x y

C

C x

C z w [0, 0, 0] x y cam C w x

C z w [0, 0, 0] x y cam C w x

00 200 300 400 500 600 700 800 900 000 00 200 300 400 500 600 700

00 200 300 400 500 600 700 800 900 000 00 200 300 400 500 600 700

9 70 2 72 23 59 0 6 22 263 34 365 46 467 58 569 620 67 722 773 824 875 926 977

00 200 300 400 500 600 700 800 900 000 00 200 300 400 500 600 700

73 74 75 76 77 78 79 80 8 82 83 84 85 86 507 508 509 50 5 52 53 54 55 56 57 58 59 520 52 522 523 524 525

00 200 300 400 500 600 700 800 900 000 00 200 300 400 500 600 700

00 200 300 400 500 600 700 800 900 000 00 200 300 400 500 600 700

9 70 2 72 23 59 0 6 22 263 34 365 46 467 58 569 620 67 722 773 824 875 926 977

73 74 75 76 77 78 79 80 8 82 83 84 85 86 507 508 509 50 5 52 53 54 55 56 57 58 59 520 52 522 523 524 525

73 74 75 76 77 78 79 80 8 82 83 84 85 86 507 508 509 50 5 52 53 54 55 56 57 58 59 520 52 522 523 524 525

C u v x x [u 0, v 0 ] y

0.43 0.72 0.92 0.55 0.50 0.33 0.65 0.82 0.63 0.40 5.65 3.7 4.3 0.39 0.56 0.53 0.22 4.99 0.47 2.73 0.78 0.34 0.22 0.46 0.4 2.28 2.64 5.44 4.50 0.35 0.79 2.65 0.54 0.43 0.2 0.45 0.82 0.56 0.3 0.30 2.79 2.35 2.59 3.82 4.78 0.62 0.46 0.36 0.36 0.27 2.2 6.9 2.77 2.62 3.96 6.43 5.98 2.70 2.29 7.74 4.37 2.76 2.44 2.85 2.85 2.84 3.85 2.54 2.59 6.27 505.79 5.27 3.57 3.43 6.32 4.52 2.73 2.85 2.0 6.36 2.97 3.4 2.7 6.56 503.36 2.2 8.23 502.59 2.0 503.4 2.9 5.05 8.55 2.75 2.95 8.39 503.38 4.64 6.2 2.08.78 3.99 4.66 2.56 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 7 7 7 7 00 200 300 400 500 600 50 00 50 200 250 300 350 400 450

00 200 300 400 500 600 50 00 50 200 250 300 350 400 450

00 200 300 400 500 600 50 00 50 200 250 300 350 400 450

0 0 20 40 60 80 00 20 6 5 sorted 2D reprojection errors full model linear model 4 pixels 3 2