关于深度图像
深度图像
深度图像（depth image)也被称为距离影像（range image），是指将从图像采集器到场景中各点的距离（深度）作为像素值的图像，它直接反映了景物可见表面的几何形状。深度图像经过坐标转换可以计算为点云数据，有规则及必要信息的点云数据也可以反算为深度图像数据。
深度数据流所提供的图像帧中，每一个像素点代表的是在深度感应器的视野中，该特定的（x, y）坐标处物体到离摄像头平面最近的物体到该平面的距离（以毫米为单位）.
深度图像的获取方法：
激光雷达深度成像法、
计算机立体视觉成像、
坐标测量机法、
莫尔条纹法、
结构光法。
深度图像的获取原理
在计算机视觉系统中，三维场景信息为图像分割、目标检测、物体跟踪等各类计算机视觉应用提供了更多的可能性，而深度图像（Depth map）作为一种普遍的三维场景信息表达方式得到了广泛的应用。深度图像的每个像素点的灰度值可用于表征场景中某一点距离摄像机的远近。
获取深度图像的方法可以分为两类：被动测距传感和主动深度传感。
被动测距传感
被动测距传感中最常用的方法是双目立体视觉[1,2]，该方法通过两个相隔一定距离的摄像机同时获取同一场景的两幅图像，通过立体匹配算法找到两幅图像中对应的像素点，随后根据三角原理计算出时差信息，而视差信息通过转换可用于表征场景中物体的深度信息。基于立体匹配算法，还可通过拍摄同一场景下不同角度的一组图像来获得该场景的深度图像。除此之外，场景深度信息还可以通过对图像的光度特征[3]、明暗特征[4]等特征进行分析间接估算得到。
In short, 常用于深度图像增强领域的测试数据集Middlebury Stereo Dataset属于被动测距传感；
被动测距传感=两个相隔一定距离的相机获得两幅图像+立体匹配+三角原理计算视差（disparity）
主动测距传感
主动测距传感相比较于被动测距传感最明显的特征是：设备本身需要发射能量来完成深度信息的采集。这也就保证了深度图像的获取独立于彩色图像的获取。近年来，主动深度传感在市面上的应用愈加丰富。主动深度传感的方法主要包括了TOF（Time of Flight）、结构光、激光扫描等。
图像深度
图像深度 是指存储每个像素所用的位数，也用于量度图像的色彩分辨率。
图像深度 确定彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或者确定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数。它决定了彩色图像中可出现的最多颜色数，或灰度图像中的最大灰度等级。比如一幅单色图像,若每个像素有8位，则最大灰度数目为2的8次方，即256。一幅彩色图像RGB三通道的像素位数分别为4,4,2，则最大颜色数目为2的4+4+2次方，即1024，就是说像素的深度为10位，每个像素可以是1024种颜色中的一种。
点云
点云：当一束激光照射到物体表面时，所反射的激光会携带方位、距离等信息。若将激光束按照某种轨迹进行扫描，便会边扫描边记录到反射的激光点信息，由于扫描极为精细，则能够得到大量的激光点，因而就可形成激光点云。点云格式有*.las ;*.pcd; *.txt等。
点云与三维图像的关系：三维图像是一种特殊的信息表达形式，其特征是表达的空间中三个维度的数据，表现形式包括：深度图（以灰度表达物体与相机的距离），几何模型（由CAD软件建立），点云模型（所有逆向工程设备都将物体采样成点云）。和二维图像相比，三维图像借助第三个维度的信息，可以实现天然的物体——背景解耦。点云数据是最为常见也是最基础的三维模型。点云模型往往由测量直接得到，每个点对应一个测量点，未经过其他处理手段，故包含了最大的信息量。这些信息隐藏在点云中需要以其他提取手段将其萃取出来，提取点云中信息的过程则为三维图像处理。
点云的概念：点云是在同一空间参考系下表达目标空间分布和目标表面特性的海量点集合，在获取物体表面每个采样点的空间坐标后，得到的是点的集合，称之为“点云”（Point Cloud）。
点云的获取设备：RGBD设备是获取点云的设备，比如PrimeSense公司的PrimeSensor、微软的Kinect、华硕的XTionPRO。
点云的内容：根据激光测量原理得到的点云，包括三维坐标（XYZ）和激光反射强度（Intensity），强度信息与目标的表面材质、粗糙度、入射角方向，以及仪器的发射能量，激光波长有关。
根据摄影测量原理得到的点云，包括三维坐标（XYZ）和颜色信息（RGB）。结合激光测量和摄影测量原理得到点云，包括三维坐标（XYZ）、激光反射强度（Intensity）和颜色信息（RGB）。
点云的属性：空间分辨率、点位精度、表面法向量等。
点云存储格式：*.pts; *.asc ; *.dat; .stl ; [1] .imw；.xyz；.las。LAS格式文件已成为LiDAR数据的工业标准格式，LAS文件按每条扫描线排列方式存放数据,包括激光点的三维坐标、多次回波信息、强度信息、扫描角度、分类信息、飞行航带信息、飞行姿态信息、项目信息、GPS信息、数据点颜色信息等。
点云的数据类型：
（1）pcl::PointCloudpcl::PointXYZ
PointXYZ 成员：float x，y，z;表示了xyz3D信息，可以通过points[i].data[0]或points[i].x访问点X的坐标值
（2）pcl::PointCloudpcl::PointXYZI
PointXYZI成员：float x, y, z, intensity; 表示XYZ信息加上强度信息的类型。
（3）pcl::PointCloudpcl::PointXYZRGB
PointXYZRGB 成员：float x,y,z,rgb; 表示XYZ信息加上RGB信息，RGB存储为一个float。
（4）pcl::PointCloudpcl::PointXYZRGBA
PointXYZRGBA 成员：float x , y, z; uint32_t rgba; 表示XYZ信息加上RGBA信息，RGBA用32bit的int型存储的。
（5） PointXY 成员：float x,y;简单的二维x-y点结构
（6）Normal结构体：表示给定点所在样本曲面上的法线方向，以及对应曲率的测量值，用第四个元素来占位，兼容SSE和高效计算。
点云的处理
点云处理的三个层次：Marr将图像处理分为三个层次，低层次包括图像强化，滤波，关键点/边缘检测等基本操作。中层次包括连通域标记（label），图像分割等操作。高层次包括物体识别，场景分析等操作。工程中的任务往往需要用到多个层次的图像处理手段。
PCL官网对点云处理方法给出了较为明晰的层次划分，如图所示。
低层次处理方法:
①滤波方法：双边滤波、高斯滤波、条件滤波、直通滤波、随机采样一致性滤波。②关键点：ISS3D、Harris3D、NARF，SIFT3D
中层次处理方法：
①特征描述：法线和曲率的计算、特征值分析、SHOT、PFH、FPFH、3D Shape Context、Spin Image
②分割与分类：
分割：区域生长、Ransac线面提取、全局优化平面提取
K-Means、Normalize Cut（Context based）
3D Hough Transform(线、面提取)、连通分析
分类：基于点的分类，基于分割的分类，基于深度学习的分类（PointNet，OctNet）
高层次处理方法：
①配准：点云配准分为粗配准（Coarse Registration）和精配准（Fine Registration）两个阶段。
精配准的目的是在粗配准的基础上让点云之间的空间位置差别最小化。应用最为广泛的精配准算法应该是ICP以及ICP的各种变种（稳健ICP、point to plane ICP、Point to line ICP、MBICP、GICP、NICP）。
粗配准是指在点云相对位姿完全未知的情况下对点云进行配准，可以为精配准提供良好的初始值。当前较为普遍的点云自动粗配准算法包括基于穷举搜索的配准算法和基于特征匹配的配准算法。
基于穷举搜索的配准算法：遍历整个变换空间以选取使误差函数最小化的变换关系或者列举出使最多点对满足的变换关系。如RANSAC配准算法、四点一致集配准算法（4-Point Congruent Set, 4PCS）、Super4PCS算法等……
基于特征匹配的配准算法：通过被测物体本身所具备的形态特性构建点云间的匹配对应，然后采用相关算法对变换关系进行估计。如基于点FPFH特征的SAC-IA、FGR等算法、基于点SHOT特征的AO算法以及基于线特征的ICL等…
②SLAM图优化
Ceres（Google的最小二乘优化库，很强大）， g2o、LUM、ELCH、Toro、SPA
SLAM方法：ICP、MBICP、IDC、likehood Field、NDT
③三维重建
泊松重建、 Delaunay triangulations、表面重建，人体重建，建筑物重建，树木重建。结构化重建：不是简单的构建一个Mesh网格，而是为场景进行分割，为场景结构赋予语义信息。场景结构有层次之分，在几何层次就是点线面。实时重建：重建植被或者农作物的4D（3D+时间）生长态势；人体姿势识别；表情识别；
④点云数据管理：点云压缩，点云索引（KD、Octree），点云LOD（金字塔），海量点云的渲染