PnP解算及SolvePnp用法

1 PnP解算

PnP标题：Perspective-n-Point标题。
参考下图，

给定n个3D空间参考点，以及各点在相机图像上对应的成像点，求参考点所在坐标系与相机的空间关系。
即：
已知条件1：给定匹配点对：世界坐标系（图中OwXwYwZw）下的n个3D点坐标及其对应在图像坐标系（图中ouv）下的2D点坐标。
已知条件2：相机的内参。
求：世界坐标系OwXwYwZw与相机坐标系OcXcYcZc之间的位姿变更关系。
PnP标题的用途：相机位姿获取，物体位姿丈量，AR/VR，机器人操纵，SLAM中位姿初值求解……
常用解法：DLT，P3P，EPnP，UPnP。
2 OpenCV的solvePnP

2.1 函数原型界说

OpenCV提供了PnP标题的解算函数，且包罗有多种解法。
有以下两个函数。
1) solvePnP

1. bool solvePnP( InputArray objectPoints, InputArray imagePoints,
2.                             InputArray cameraMatrix, InputArray distCoeffs,
3.                             OutputArray rvec, OutputArray tvec,
4.                             bool useExtrinsicGuess = false, int flags = SOLVEPNP_ITERATIVE );

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作用：根据3D-2D点对应关系，得到物体的位姿。
此函数返盘旋转和平移向量，可用来将物体坐标系中的3D点变更到相机坐标系下。
2) solvePnPRansac

1. bool solvePnPRansac( InputArray objectPoints, InputArray imagePoints,
2.                                   InputArray cameraMatrix, InputArray distCoeffs,
3.                                   OutputArray rvec, OutputArray tvec,
4.                                   bool useExtrinsicGuess = false, int iterationsCount = 100,
5.                                   float reprojectionError = 8.0, double confidence = 0.99,
6.                                   OutputArray inliers = noArray(), int flags = SOLVEPNP_ITERATIVE );

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与solvePnP功能雷同，但这个函数使用RANSAC算法剔除非常样本。
RANSAC：Random Sample Consensus（随机抽样同等）。它是根据一组包罗非常数据的样本数据集，计算出数据的数学模子参数，得到有用样本数据的算法。它于1981年由Fischler和Bolles开始提出。
因此RANSAC使得PnP函数可以或许抵抗非常值。
2.2 函数参数

参数：
objectPoints：世界坐标系（上图中OwXwYwZw）下的3D点坐标数组
imagePoints：图像（上图中ouv）中对应3D点的成像点坐标数组
cameraMatrix：相机内参矩阵，3×3
distCoeffs：相机畸变系数数组，可以为NULL，此时视为无畸变。
rvec和tvec：计算结果输出，rvec为旋转向量，tvec为平移向量，两者归并表达的是物体团体（即世界坐标系）在相机坐标系中的位姿
以下参数为可选：
useExtrinsicGuess，这个参数仅用于flags=SOLVEPNP_ITERATIVE，此值假如为true (1)，必要rvec和tvec有输入值，以便函数把输入值作为旋转和平移的估计初始值.
flags：PnP解算方法，详见下节。
solvePnPRansac必要的可选参数
iterationsCount：迭代次数；
reprojectionError：RANSAC使用的内点阈值，即思量作为内点的观察点与计算点投影之间的最大允许距离
confidence：算法得到有用结果的概率；
inliers：包罗 objectPoints 和 imagePoints 中的内点索引的输出向量 .
2.3 PnP解算方法（flags取值）

• SOLVEPNP_ITERATIVE：缺省方法，基于 Levenberg-Marquardt 优化的迭代方法，使重投影偏差最小化
  
• SOLVEPNP_P3P：方法基于论文 X.S. Gao, X.-R. Hou, J. Tang, H.-F. Chang “Complete Solution Classification for the Perspective-Three-Point Problem”
  
• SOLVEPNP_AP3P：方法基于论文 T. Ke, S. Roumeliotis "An Efficient Algebraic Solution to the Perspective-Three-Point Problem
  
• SOLVEPNP_EPNP：方法基于论文 F. Moreno-Noguer, V. Lepetit and P. Fua “EPnP: Efficient Perspective-n-Point Camera Pose Estimation”
  
• SOLVEPNP_DLS：方法基于论文 J. Hesch and S. Roumeliotis. “A Direct Least-Squares (DLS) Method for PnP”
  
• SOLVEPNP_UPNP：方法基于论文 A. Penate-Sanchez, J. Andrade-Cetto, F. Moreno-Noguer. “Exhaustive Linearization for Robust Camera Pose and Focal Length Estimation”
  
• SOLVEPNP_IPPE：方法基于论文 T. Collins and A. Bartoli. “Infinitesimal Plane-Based Pose Estimation”
  
• SOLVEPNP_IPPE_SQUARE：方法基于论文 Toby Collins and Adrien Bartoli. “Infinitesimal Plane-Based Pose Estimation”
  
• SOLVEPNP_SQPNP：方法基于论文 “A Consistently Fast and Globally Optimal Solution to the Perspective-n-Point Problem” by G. Terzakis and M.Lourakis
  

2.4 solvePnp的点对

一样平常来说，解算PnP，最少必要4个物体点与其成像点构成的点对，几个特例如下：

• 当SOLVEPNP_ITERATIVE而且useExtrinsicGuess=true时（rvec和tvec有初值），所需的点数最小可以为3；
  
• P3P methods (SOLVEPNP_P3P, SOLVEPNP_AP3P): 需且仅需4个输入点来得到唯一解；
  
• SOLVEPNP_IPPE：输入点数必须 >= 4，而且所有物体点必须共面；
  
• SOLVEPNP_IPPE_SQUARE：对点的次序有规定，具体这里略；
  除了这几个外，其它方法（flags）要求点的数量必须 >= 4 ，对物体点位置次序等没有特殊规定。
  

3 solvePnP使用

使用solvePnP前，必要已具备如下参数：

1. vector<Point3f>objPts;        //3D点数组，世界坐标系物体点坐标，至少4个点
2. vector<Point2f>imgPts;        //2D点数组，与以上物体点一一对应的图像点坐标
3. Mat cameraMatrix;        //相机内参矩阵，3x3矩阵
4. Mat distCoeff;        //相机畸变系数矩阵，我一般是用1x5矩阵，如果相机没有畸变，可以把所有元素置为0

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然后调用

1. Mat rvec, tvec;        //声明用于接收运算结果的两个矢量
2. solvePnP(objPts, imgPts, cameraMatrix, distCoeff, rvec, tvec);

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得到解算结果后，rvec为旋转矢量形式，后续计算不方便，以是一样平常会用Rodrigues公式转为旋转矩阵，以下直接将rvec和tvec一起转为位姿矩阵

1. Mat wldInCam = Mat::zeros(4, 4, CV_64FC1);
2. Rodrigues(rvec, wldInCam(Rect(0, 0, 3, 3)));
3. tvec.copyTo(wldInCam(Rect(0, 3, 1, 3)));

复制代码

以上得到的wldInCam即为世界坐标系在相机坐标系中的位姿，假如必要求相机活着界坐标系中的位姿，可取逆即可：

1. Mat camInWld = wldInCam.inv();

复制代码

参考

[PnP] PnP标题之DLT解法

来源：https://blog.csdn.net/hangl_ciom/article/details/127960154
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