点云配准的方法主要可以分为两类,一类是全局(粗)配准方法,另一类为局部配准方法。
一般情况下,在对两幅点云进行配准时,如果点云之间的初始位姿差别比较大,就需要先使用全局配准方法,将两幅点云移动到一个比较接近的位置和姿态,然后再使用局部配准的方法进行精准匹配。如果直接使用局部配准的方法容易陷入局部最优解,使配准发生错误。只有在两幅点云的初始位姿已经非常接近的时候,可以直接使用局部配准的方法完成两幅点云的配准。
全局配准算法不需要初始化对齐。它们通常会得到一个不太紧密的配准结果,并常被用作局部配准方法的初始化位姿。本章节将主要介绍两种全局配准方法:RANSAC全局配准法和快速全局配准法。
此函数可以将转换后的源点云与目标点云在一起进行可视化:
void VisualizeRegistration(const open3d::geometry::PointCloud &source,
const open3d::geometry::PointCloud &target,
const Eigen::Matrix4d &Transformation) {
std::shared_ptr<geometry::PointCloud> source_transformed_ptr(
new geometry::PointCloud);
std::shared_ptr<geometry::PointCloud> target_ptr(new geometry::PointCloud);
*source_transformed_ptr = source;
*target_ptr = target;
source_transformed_ptr->Transform(Transformation);
visualization::DrawGeometries({source_transformed_ptr, target_ptr},
"Registration result");
}
首先需要对两幅点云分别进行下采样,估计法线,然后为每个点计算 FPFH 特征。FPFH 特征是一个 33 维向量,描述了一个点的局部几何特性。33 维空间中的最近邻查询可以返回具有相似局部几何结构的点。这些步骤可以由如下函数来完成:
std::tuple<std::shared_ptr<geometry::PointCloud>, //tuple是一个元组
std::shared_ptr<geometry::PointCloud>,
std::shared_ptr<pipelines::registration::Feature>>
PreprocessPointCloud(const char *file_name, const float voxel_size) {
auto pcd = open3d::io::CreatePointCloudFromFile(file_name);
auto pcd_down = pcd->VoxelDownSample(voxel_size); //下采样
pcd_down->EstimateNormals( //估计法线
open3d::geometry::KDTreeSearchParamHybrid(2 * voxel_size, 30));
auto pcd_fpfh = pipelines::registration::ComputeFPFHFeature(
*pcd_down, //计算FPFH 特征
open3d::geometry::KDTreeSearchParamHybrid(5 * voxel_size, 100));
return std::make_tuple(pcd, pcd_down, pcd_fpfh); //返回一个元组
}
RANSAC全局配准法主要程序如下,完整程序可以在我的github主页下载
// Prepare input
std::shared_ptr<geometry::PointCloud> source, source_down, target,
target_down;
std::shared_ptr<pipelines::registration::Feature> source_fpfh, target_fpfh;
std::tie(source, source_down, source_fpfh) =
PreprocessPointCloud("../data/fragment.ply", voxel_size); //原点云
std::tie(target, target_down, target_fpfh) =
PreprocessPointCloud("../data/fragment1.ply", voxel_size); //目标点云
visualization::DrawGeometries({source, target},"Initial state"); //展示两幅点云的初始状态
pipelines::registration::RegistrationResult registration_result;
// Prepare checkers
std::vector<std::reference_wrapper<
const pipelines::registration::CorrespondenceChecker>>
correspondence_checker;
auto correspondence_checker_edge_length =
//检查从源和目标对应关系中分别绘制的任意两条任意边(由两个顶点形成的线)的长度是否相似。
//检查||edgesource||>0.9⋅||edgetarget||和||edgetarget||>0.9⋅||edgesource||是真的。
pipelines::registration::CorrespondenceCheckerBasedOnEdgeLength(
0.9);
auto correspondence_checker_distance =
//检查对齐的点云是否接近(小于指定的阈值)
pipelines::registration::CorrespondenceCheckerBasedOnDistance(distance_threshold);
correspondence_checker.push_back(correspondence_checker_edge_length);
correspondence_checker.push_back(correspondence_checker_distance);
registration_result = pipelines::registration::
RegistrationRANSACBasedOnFeatureMatching(
*source_down, *target_down, *source_fpfh, *target_fpfh,
mutual_filter, distance_threshold,
pipelines::registration::
TransformationEstimationPointToPoint(false),
3, correspondence_checker,
pipelines::registration::RANSACConvergenceCriteria(
max_iterations, confidence));
两幅点云的初始位姿展示:
两幅点云配准后结果展示:
考虑到基于 RANSAC 的全局配准方案可能需要消耗较长的时间。[Zhou2016]提出了一种更快的方法,它的优化过程不需要内部循环中的最近点查询,因此可以节省大量计算时间。
快速全局配准法的主程序如下:
int main(int argc, char *argv[]){
float voxel_size =
utility::GetProgramOptionAsDouble(argc, argv, "--voxel_size", 0.05);
float distance_multiplier = utility::GetProgramOptionAsDouble(
argc, argv, "--distance_multiplier", 1.5);
float distance_threshold = voxel_size * distance_multiplier;
int max_iterations =
utility::GetProgramOptionAsInt(argc, argv, "--max_iterations", 64);
int max_tuples =
utility::GetProgramOptionAsInt(argc, argv, "--max_tuples", 1000);
// Prepare input
std::shared_ptr<geometry::PointCloud> source, source_down, target,
target_down;
std::shared_ptr<pipelines::registration::Feature> source_fpfh, target_fpfh;
std::tie(source, source_down, source_fpfh) =
PreprocessPointCloud("../data/fragment.ply", voxel_size);
std::tie(target, target_down, target_fpfh) =
PreprocessPointCloud("../data/fragment1.ply", voxel_size);
pipelines::registration::RegistrationResult registration_result =
pipelines::registration::
FastGlobalRegistrationBasedOnFeatureMatching(
*source_down, *target_down, *source_fpfh,
*target_fpfh,
pipelines::registration::
FastGlobalRegistrationOption(
/* decrease_mu = */ 1.4, true,
true, distance_threshold,
max_iterations,
/* tuple_scale = */ 0.95,
max_tuples));
VisualizeRegistration(*source, *target,
registration_result.transformation_);
cout<<"RegistrationResult withfitness:"<<registration_result.fitness_<<endl;
cout<<"RegistrationResult rmse:"<<registration_result.inlier_rmse_<<endl;
return 0;
}
两幅点云配准后结果展示:
通过适当的配置,快速全局配准的准确性甚至可以与局部配准方法ICP相媲美。更多实验结果可以参考文献[Zhou2016]。
http://www.open3d.org/docs/latest/tutorial/pipelines/global_registration.html
https://github.com/isl-org/Open3D/releases/tag/v0.15.0
以上就是配准篇(一)的全部内容,完整的可执行代码可以在我的github仓库进行下载,文章会持续更新,如果文章中有写的不对的地方,希望大家可以在评论区进行批评和指正,大家一起交流,共同进步!