Open3d学习计划—高级篇 7（颜色映射）

Open3D是一个开源库，支持快速开发和处理3D数据。Open3D在c++和Python中公开了一组精心选择的数据结构和算法。后端是高度优化的，并且是为并行化而设置的。

本系列学习计划有Blue同学作为发起人，主要以Open3D官方网站的教程为主进行翻译与实践的学习计划。点云PCL公众号作为免费的3D视觉，点云交流社区，期待有使用Open3D或者感兴趣的小伙伴能够加入我们的翻译计划，贡献免费交流社区，为使用Open3D提供中文的使用教程。

将颜色映射到从深度相机重建的几何形状。由于彩色帧和深度帧不一定是完美对齐的，所以使用彩色图像进行纹理映射的结果会导致一个模糊的彩色映射。Open3d提供了基于[Zhou2014]中的彩色映射优化算法。下面的教程将会提供彩色映射优化算法的示例。

输入

下面的代码读取彩色和深度图像对，并且生成 rgbd_image。注意convert_rgb_to_intensity标志位设置为 False。只是为了保留8-bit彩色通道而不是使用单通道浮点型图像。
在应用彩色映射优化之前，最好先对RGBD图像进行可视化。debug_mode选择是否可视化RGBD图像。

def sorted_alphanum(file_list_ordered):
    convert = lambda text: int(text) if text.isdigit() else text
    alphanum_key = lambda key: [convert(c) for c in re.split('([0-9]+)', key)]
    return sorted(file_list_ordered, key=alphanum_key)




def get_file_list(path, extension=None):
    if extension is None:
        file_list = [path + f for f in os.listdir(path) if os.path.isfile(join(path, f))]
    else:
        file_list = [
            path + f
            for f in os.listdir(path)
            if os.path.isfile(os.path.join(path, f)) and os.path.splitext(f)[1] == extension
        ]
    file_list = sorted_alphanum(file_list)
    return file_list

path = o3dtut.download_fountain_dataset()
debug_mode = False




rgbd_images = []
depth_image_path = get_file_list(os.path.join(path, "depth/"),
                                 extension=".png")
color_image_path = get_file_list(os.path.join(path, "image/"),
                                 extension=".jpg")
assert (len(depth_image_path) == len(color_image_path))
for i in range(len(depth_image_path)):
    depth = o3d.io.read_image(os.path.join(depth_image_path[i]))
    color = o3d.io.read_image(os.path.join(color_image_path[i]))
    rgbd_image = o3d.geometry.RGBDImage.create_from_color_and_depth(
        color, depth, convert_rgb_to_intensity=False)
    if debug_mode:
        pcd = o3d.geometry.PointCloud.create_from_rgbd_image(
            rgbd_image,
            o3d.camera.PinholeCameraIntrinsic(
                o3d.camera.PinholeCameraIntrinsicParameters.
                PrimeSenseDefault))
        o3d.visualization.draw_geometries([pcd])
    rgbd_images.append(rgbd_image)

下面的代码读取相机轨迹和网格数据

camera = o3d.io.read_pinhole_camera_trajectory(
    os.path.join(path, "scene/key.log"))
mesh = o3d.io.read_triangle_mesh(
    os.path.join(path, "scene", "integrated.ply"))

为了可视化出相机的姿态不适合颜色映射，下面的代码故意设置迭代次数为0，也就是不对其映射做优化。color_map_optimization使用对应的相机姿态和RGBD图像来绘制网格。如果没有优化的话，可以看到纹理很模糊。

# Before full optimization, let's just visualize texture map
# with given geometry, RGBD images, and camera poses.
option = o3d.color_map.ColorMapOptimizationOption()
option.maximum_iteration = 0
with o3d.utility.VerbosityContextManager(o3d.utility.VerbosityLevel.Debug) as cm:
    o3d.color_map.color_map_optimization(mesh, rgbd_images, camera, option)
o3d.visualization.draw_geometries([mesh])

刚性优化

下一步优化相机参数来获得清晰的彩色图像。
下面的代码设置最大迭代次数为300。

# Optimize texture and save the mesh as texture_mapped.ply
# This is implementation of following paper
# Q.-Y. Zhou and V. Koltun,
# Color Map Optimization for 3D Reconstruction with Consumer Depth Cameras,
# SIGGRAPH 2014
option.maximum_iteration = 100 if is_ci else 300
option.non_rigid_camera_coordinate = False
with o3d.utility.VerbosityContextManager(o3d.utility.VerbosityLevel.Debug) as cm:
    o3d.color_map.color_map_optimization(mesh, rgbd_images, camera, option)
o3d.visualization.draw_geometries([mesh])

残差表示图像强度不一致，残差越低表示颜色映射质量越好。ColorMapOptimizationOption默认使用刚性优化，去优化相机的六维姿态。

非刚性优化

为了有一个更好的映射质量，需要使用非刚性优化。要启用非刚性优化只需要在调用color_map_optimization前将option.non_rigid_camera_coordinate设置为True。除了六维相机姿态以外，非刚性优化甚至考虑了由锚点表示的局部图像变形。这种方式更加灵活并且会有着更高的彩色映射质量。残差也会小于刚性优化的情况。

option.maximum_iteration = 100 if is_ci else 300
option.non_rigid_camera_coordinate = True
with o3d.utility.VerbosityContextManager(o3d.utility.VerbosityLevel.Debug) as cm:
    o3d.color_map.color_map_optimization(mesh, rgbd_images, camera, option)
o3d.visualization.draw_geometries([mesh])

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