点云绪论（点云数据及获取、点云数据处理、常用软件及开源库）

点云数据及获取

定义

点云(point cloud): 三维点的数据集合属性

• 三维坐标

• 强度

• 颜色

• 时间戳

点云组织形式:

• organized: the point cloud is laid out as a 2D array of points that resemblesan image like structure

也就是说，像平常的照片一样，有行列顺序的点云，叫结构点云。

• unorganized: the point cloud is a list of points.

点云获取方式

1. 激光扫描仪(Laser Scanner/ LiDAR Light Detection And Ranging)

• 星载

• 机载

• 地面

• 移动

2. 深度相机(depth camera)

3. 双目相机(Stereo Camera)

4. 光学相机多视角重建

激光扫描

激光发射出去再返回来，transmitter和receiver，根据往返时间计算range
Range . travel time x speed of light/2
Record (azimuth, zenith, range, intensity)

深度相机

通过近红外激光器把具有结构特征的光线投影到物体上，通过红外摄像头采集得到深度信息。

特点：

• 成本低，计算量小

• 主动光源，夜晚也可用

• 观测该范围和距离有限

应用：

• 室内机器人

• AR/VR

双目相机

使用两个相机从不同位置获取物体的两幅图像，通过计算对应点的位置偏差，使用三角原理(Triangulation)计算点的三维坐标。

特点：

• 成本低

-室内室外都适用

• 对环境光敏感

• 基线限制了测量范围

SFM运动结构恢复(Structure frommotion)

给出多幅图像及其图像特征点的对应集合，估计3D点的位置和摄像机姿态(运动)

特点：

• 成本低
• 使用高精度相机和更稳定的平台(有GPS/IMU)可以进行高精度测量
• 计算量大

点云数据处理

点云滤波(filtering)

检测和移除点云中的噪声或不感兴趣的点

分类：

• 基于统计信息(stat iscal-based)
• 基于领域(neighbor-based)
• 基于投影(projection-based）
• 基于信号处理(singal processing based)
• 基于偏微分方程(PDEs-based)
• 其他方法: voxel grid fitlering, quadtree-based, etc.

常用方法：

• 基于体素(voxeI grid)
• 移动平均最小二乘(Moving Least Squares)

点云匹配(point cloud registration):

估计两帧或者多帧点云之间的rigid body transformation信息，将所有帧的点云配准在同一个坐标系。

分类：

• 初/粗匹配:适用于初始位姿差别大的两帧点云
• 精匹配:优化两帧点云之间的变换
• 全局匹配:通常指优化序列点云匹配的误差，
• 如激光SLAM,两帧之间匹配，全局匹配

常用方法：

• 基于Iterative Closest Point (ICP)的方法
• 基于特征的匹配方法
• 深度学习匹配方法

点云分割(segmentation)

根据空间、集合等特征将点划分为不同的集合。

常用方法：

• 基于边缘的方法:变成图像，使用边缘信息（较早期）
• 基于区域生长
• 几何模型拟合:拟合平面，球形，圆柱等

点云目标检测 (object detection)

从点云中检测某类物体

方法：

• 传统机器学习方法

• 深度学习方法

点云分类 (classification)/语义分割(Semantic Segmentation)

为每个点云分配一个语义标签。

方法：

• 传统机器学习方法
• 深度学习方法

模型重建 (model reconstruction):

• 从点云中获取更精简更紧凑的模型，如获取mesh 模型。
• 常见的 3D shape representation: 深度图，点云，体素，网格(mesh)

常用方法：

• Delaunay Mesh Generation
• Finite Element Mesh Generation
• Marching cubes

常用软件及开源库

CloudCompare（软件）

• 点云处理软件
• 开源，且支持多平台(Windows,Mac,Linux)
• 支持常见的点云数据格式，简单的点云编辑
• 支持用户自己添加插件和增加新功能 (如 Ransac，PoissonMesh Reconstruction, Classification with CANUPO)
• 适合于点云可视化，简单编辑或者处理

PCL (Point cloud library)（开源库）

• Filter
• Segmentation
• Registration
• Keypoints
• Recognition

特点：

• 支持多平台（Win，Linux,Mac)
• 功能齐全，可扩展性好
• 广泛用于机器人，很多开源算法和系统（ROS)

Open3D（开源库）

• Surface alignment
• 3D machine learning support with PyTorch and TensorFlow
• GPU acceleration for core 3D operation

特点：

• 支持多平台
• python集成成熟，可和 Pytorch，Tensorflow 集成