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Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Professor Horst Cerjak, 19.12.2005 1 11.3.2008 Augmented Reality VU 1 Projective Geometry Axel Pinz Augmented Reality X Y Z • Real scene, scene coordinate C x C y C z C R, t • Camera(s) x V y V z V • Visualization (screen, HMD) R, t • Real table • Augmented plant
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Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Professor Horst Cerjak, 19.12.2005 1 11.3.2008 Augmented Reality VU 1 Projective Geometry.

Mar 28, 2015

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Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung

Professor Horst Cerjak, 19.12.20051

11.3.2008Augmented Reality VU 1 Projective Geometry Axel Pinz

Augmented Reality

X

Y

Z

• Real scene, scene coordinates

C

xC

yC

zC

R, t

• Camera(s)

xV

yV

zV

• Visualization (screen, HMD)

R, t

• Real table

• Augmented plant

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11.3.2008Augmented Reality VU 1 Projective Geometry Axel Pinz

Example 1: ARToolkit

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Example 2: Structure + Motion [Schweighofer]

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Pinhole Camera

• “real” camera

image plane πi (u,v): z = -f

uv

zx

y“principal”point (u0,v0) “optical axis”

p(u,v)

P(x,y,z)

f

“focal length” f

• 2D projection 3D scene

• p(u,v) ↔ line of sight = viewing direction

P’(x’,y’,z’)

• “Pinhole” C … “center of projection”

C

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Projective Geometry

π0 ... z = 0 πi ... z = f

x

z

yxy

uv

p(u,v)

P(x,y,z) P’

P’’

!!!

“projective” camera, “normalized” camera: f = 11 stationary camera 1 coordinate system (x,y,z)camera-centered coordinate system ≡ scene coordinate system

Only points in π0 are not projected to πi

(u0,v0)C

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Projective Images: Examples, Properties

• Impression of depth in images• Parallel lines meet at infinity• “infinity” is projected to finite

location in the image• “horizon”• “points at infinity”, …

[Triggs and Mohr]

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Projective Images: Scaling

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Projective Images: Foreshortening

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Projective Images: Parallel Lines Meet

[Sonka, Hlavac, Boyle]

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Projective Geometry vs. Computer Vision

• points in π1

• straight lines of sight

• projective reconstruction

• geometry, precise

• known correspondences

• discrete pixels in πi

• sampling theorem• lens distortion, aperture, depth of field• “oriented” projective rec. “in front of camera”• inherently imprecise estimation, minimization• “outliers” robustness

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Example: Stereo Reconstruction

PC1

C2• projective geometry• computer vision

P~

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• A unified geometric + algebraic framework

• Point

• Line

Algebraic Projective Geometry (1)

Tyxy

xp 00

0

0 ,

dkxy 0 cbyax

1

0 0

1

y

x

x

c

b

a

lxly

x

c

b

a

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• Duality point ↔ line

• Unified approach: projective n-space Pn

point (n+1) - vector

Algebraic Projective Geometry (2)

21 llp

1l

2l

21 ppl

1p

2p

Tnxxx 11 ,,

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Homogeneous Coordinates in Pn

c

b

a

k

c

b

a

l ~

0 0)()(

0

kkcykbxka

cbyax

Equivalence class of vectors

0

0

03R forms P2 … “projective plane”

Homogeneous coordinates , but only 2 DoFHomogeneous coordinates , but only 2 DoF

inhomogeneousinhomogeneous

3

2

1

x

x

x

y

x

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Equivalence Class of Vectors

Without further knowledge, such situationsWithout further knowledge, such situationscannot be distingushed !cannot be distingushed !

A further example: Equivalence ofA further example: Equivalence of a toy car, closeup shot, anda toy car, closeup shot, andreal car, distant shotreal car, distant shot

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• Point

• Line

• “ideal” points treated like any point x3≠0

„Fluchtpunkte“

• “line at infinity” the plane’s “horizon”

The Projective Plane (1)

21 llx

21 xxl

intersection ofintersection ofparallel lines !parallel lines !

02

1

x

x

1

0

0

l

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The Projective Plane (2)

• Adding the ideal points to R2 leads to the projective plane P2

• Covers all homo-geneous coordinates

0

0

0

3

2

1

x

x

x

[Hartley+Zisserman][Hartley+Zisserman]

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The Projective Plane (3)

ππ

Image of the “horizon” of π,Image of the “horizon” of π,““line at infinity” of line at infinity” of ππ

vanishing point,vanishing point,„„Fluchtpunkt“ =Fluchtpunkt“ =Bild eines Bild eines „„Fernpunktes“Fernpunktes“

• Projective geometry can map infinitely far points / lines to finite onesProjective geometry can map infinitely far points / lines to finite ones• No difference between finite and infiniteNo difference between finite and infinite• e.g. hyperbola is e.g. hyperbola is one continuousone continuous conic conic

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There is also Projective Space P3 …

• Points

• Planes

• Lines: 4 DoF

• Dual line L*:

Txxxx

x

x

x

x

p 4321

4

3

2

1

Tdcba

d

c

b

a

a

plane point 0 ap

21

2

1

21

:

, points 2

ppl

p

p

pp

T

T

L

22* 0 TLL

duality point duality point ↔ plane↔ plane duality duality LL ↔ ↔ L*L*

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Projective Transformations in Pn

• “projective transformation” = “collineation” = “projectivity” = “homography” H

• Invertible mapping Pn →Pn

• „geradentreue“ Abbildung• (n+1) x (n+1) matrix• In P2 :

• H has (n+1)2-1 DoF, H is non-singular

line aon lie ,, line aon lie ,, 321321 xxxxxx

HHH

3

2

1

333231

232221

131211

3

2

1

'

'

'

'

x

x

x

hhh

hhh

hhh

x

x

x

x

x

H

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Projective Transformations in P2

• Translation

• Rotation

• Scaling

• Any combination, e.g.

xxt

t

x

x TT

'

100

10

01

xxRR

'

100

0cossin

0sincos

xxs

s

y

x SS

'

100

00

00

xxx

MSRTSRTM '

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A Remark on Conics

• 2nd degree equation in the plane

• Homog. coord:

• Conic C:

• Five DoF, 5 points define a conic

022 feydxcybxyax

0

/y / 233231

2221

21

3231

fxxexxdxcxxbxax

xxxxx

fed

ecb

dba

xxx T

2/2/

2/2/

2/2/

, 0 on CCC

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Back to Homographies – Examples (1)

Mapping between planesMapping between planes

central projection may be expressed by x’=Hx

[Hartley+Zisserman][Hartley+Zisserman]

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Back to Homographies – Examples (2)

Removing projective distortionRemoving projective distortion

[Hartley+Zisserman][Hartley+Zisserman]

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Back to Homographies – Examples (3)

[Hartley+Zisserman][Hartley+Zisserman]

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Transformation for Points, Lines, Conics

• Point

• Line

• Conic

xx

H'

11 , ' TTTT ll HHHH

1' CHHC T

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A Hierarchy of Transformations / Geometries (1)

• Isometric / Euclidean

– Invariants: length, angle, area

• Similarity

– Invariants: ratios of length / areas, angle, parallel lines

yxTE ttt

, :DoF 3 , 10

R

H

yxTS ttts

, s, :DoF 4 , 10

R

H

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A Hierarchy of Transformations / Geometries (2)

• Affine:

– 6 DoF: 2 x scale λ1,λ2; 2 x rot. θ,Ф; 2 x translation

– Invariants: parallel lines, ratios of parallel lengths, ratios of areas

10

1002221

1211

Ty

x

A

ttaa

taa

AH

2

1

0

0 ),()()(

DDRRRA

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A Hierarchy of Transformations / Geometries (3)

• Projective:

– 8 DoF: 2 x scale λ1,λ2; 2 x rot. θ,Ф; 2 x translation;

2 x line at infinity– Invariant: Cross-ratio CR of 4 collinear points

333231

232221

131211

vv

t

hhh

hhh

hhh

TP

A

H

BCAD

CDABCR

.

.

A B C D

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A Hierarchy of Transformations / Geometries (4)

1002221

1211

y

x

taa

taa

1002221

1211

y

x

tsrsr

tsrsr

333231

232221

131211

hhh

hhh

hhh

1002221

1211

y

x

trr

trr

Projective8dof

Affine6dof

Similarity4dof

Euclidean3dof

In 2D, a square transforms to:In 2D, a square transforms to:

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A Hierarchy of Transformations / Geometries (5)

vTv

tAProjective15dof

Affine12dof

Similarity7dof

Euclidean6dof

10

tAT

10

tRT

s

10

tRT

In 3D, a cube transforms to:In 3D, a cube transforms to:

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Stratification

In AR, we take perspective images,

but we require metric (Euclidean) reconstruction!

How? The stratification of 3D geometry [Pollefeys 2.2]

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Stratification of 2D / 3D Geometry

• Many possibilities, many approaches

• Examples:– Known · directions– Known points, lines, planes at ∞– Known lengths in the scene– “IAC” (“self-calibration”)– Known camera intrinsics

Camera calibration + relative orientationMultiview geometry, structure+motion

unknownunknownscenesscenes

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Stratification Examples (1)

• Known points, line at infinityv1 v2

l1

l2 l4

l3

l∞

21 vvl

211 llv 432 llv

perspectiveperspective affineaffine

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Stratification Examples (1)

• Known · directions

affineaffine metricmetric(similarity, unknown scale)(similarity, unknown scale)

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Stratification Examples (2)

• Known plane at infinity

perspectiveperspective affineaffine

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11.3.2008Augmented Reality VU 1 Projective Geometry Axel Pinz

Stratification Examples (2)

• Known · directions

affineaffine metricmetric(similarity, unknown scale)(similarity, unknown scale)

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Stratification Examples (3)

• Known lengths

metric metric (similarity,(similarity,unknown scale)unknown scale)

metricmetric(Euclidean,(Euclidean,known scale)known scale)

[Pollefeys IJCV’99][Pollefeys IJCV’99]

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Stratification Examples (4)

• ARToolkit

perspectiveperspectivemetricmetric(Euclidean,(Euclidean,known scale)known scale)

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“Video AR” is (rather) simple

• Known artificial targets / markers• Uncalibrated perspective camera

– But: collineation required– Problems when e.g. strong lens distortions

• Augmentation of the video frames• Examples

– Artoolkit– Kutulakos

• Can be related to scene coordinates, but requires “ground truth” for markers

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ARToolkit Demo ISAR 2000

observer’s viewobserver’s view immersive viewimmersive view

Page 42: Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung Professor Horst Cerjak, 19.12.2005 1 11.3.2008 Augmented Reality VU 1 Projective Geometry.

Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung

Professor Horst Cerjak, 19.12.200542

11.3.2008Augmented Reality VU 1 Projective Geometry Axel Pinz

Kutulakos’ “Calibration-Free AR” [IEEE Trans. Visualization and Graphics 1998]

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Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung

Professor Horst Cerjak, 19.12.200543

11.3.2008Augmented Reality VU 1 Projective Geometry Axel Pinz

Field Maintenance Support [ARVIKA]

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Institut für Elektrische Meßtechnik und Meßsignalverarbeitung

Professor Horst Cerjak, 19.12.200544

11.3.2008Augmented Reality VU 1 Projective Geometry Axel Pinz

Scene Structure + Camera Motion(the harder, but more general approach to AR)

• Many possible approaches• Monocular, calibrated, known “natural”

landmarks [Ribo]

• Stereo, calibrated [Schweighofer]

• Monocular, calibrated [Murray]

• Monocular, uncalibrated [Pollefeys]

– not (yet?) in real time !

calibration !calibration !

unknownunknownscene, scene, unknownunknown “ “natural”natural”landmarkslandmarks