传统方法分割三维点云——几何分割

基于几何特征的分割方法

        基于几何特征的分割方法是最早被提出和广泛应用的方法之一。它通过计算点云中的几何属性，如法向量、曲率等，来进行分割。其中，最常用的方法包括:

1.1 基干法向量的分割方法

        该方法假设同一区域的法向量相似，通过计算点云中每个点的法向量，将相似法向量的点划分为同一区域。优点是简单易实现，但对于复杂场景或存在噪声的点云效果较差。

1.2 基于曲率的分割方法

        该方法通过计算点云中每个点的曲率，将曲率变化较大的点划分为不同区域。优点是对于不同形状的物体有较好的分割效果，但对于噪声点较敏感。

        传统方法对于噪声比较多的点云数据处理起来都较为复杂的，而在降噪过程中由于点云的无序性和无规则性，对于去噪后的结果无法保证，因此，传统方法分割点云的困难重重。

        本文从几何分割的角度出发，充分利用物体几何特征，对于矩形物体进行了几何分割，以下是算法过程：

最后得到的数据分割情况如下，可以分割出三个面的点云数据，正上方的点云数据粉色块部分，是该程序也适用于四个面的矩形点云数据。

结果如下：

代码附上：

import open3d as o3d
import numpy as np
import pyransac3d as pyrsc

def line_fit(pcd,classified_points):
    """
    直线拟合
    """
    for i, points in classified_points.items():
        # 创建点云对象
        point_cloud = o3d.geometry.PointCloud()
        # 将numpy点云数据赋值给点云对象
        point_cloud.points = o3d.utility.Vector3dVector(points)
        print("->正在直线拟合...")
        mesh_cylinders = []
        line = pyrsc.Line()
        # A:直线的斜率，B：直线的截距，inliers：内点索引，
        # thresh：内点的距离阈值
        # maxIteration：RANSAC算法的拟合次数
        A, B, inliers = line.fit(points, thresh=500, maxIteration=500)
        print('直线的三维斜率为：', A)
        print('直线的截距为：', B)
        R = pyrsc.get_rotationMatrix_from_vectors([0, 0, 1], A)
        ransac_line = point_cloud.select_by_index(inliers)

        mesh_cylinder = o3d.geometry.TriangleMesh.create_cylinder(radius=20, height=10000)
        mesh_cylinder.compute_vertex_normals()
        mesh_cylinder.paint_uniform_color([1, 0, 0])
        mesh_cylinder = mesh_cylinder.rotate(R, center=[0, 0, 0])
        mesh_cylinder = mesh_cylinder.translate((B[0], B[1], B[2]))
        o3d.visualization.draw_geometries([point_cloud, ransac_line, mesh_cylinder])
def classifiction_points(pcd,wall_corners):
    '''
    根据四面墙的四个角点，将四面墙的点云数据分为四块。
    '''
    # 计算中心点
    center_point = np.mean(wall_corners, axis=0)
    # 将每个角点向中心点移动1cm
    moved_corners = []
    for corner in wall_corners:
        direction_to_center = center_point - corner
        # 单位化方向向量
        unit_direction = direction_to_center / np.linalg.norm(direction_to_center)
        # 移动1cm
        moved_corner = corner + unit_direction * 1
        moved_corners.append(moved_corner)

    moved_corners = np.array(moved_corners)
    # points_cloud是一个Numpy数组，包含点云数据
    points_cloud = np.array(pcd.points)

    # 分类点云数据
    classified_points = {i: [] for i in range(4)}
    for point in points_cloud:
        # 对每个点，找到最近的延长线
        min_distance = float('inf')
        min_index = -1
        for i in range(4):
            corner1 = moved_corners[i]
            corner2 = moved_corners[(i + 1) % 4]
            # 计算点到延长线的距离
            distance = np.linalg.norm(np.cross(corner2 - corner1, corner1 - point)) / np.linalg.norm(corner2 - corner1)
            if distance < min_distance:
                min_distance = distance
                min_index = i
        # 添加到对应分类中
        classified_points[min_index].append(point)

    # 将分类转换为Numpy数组
    for i in range(4):
        classified_points[i] = np.array(classified_points[i])
    # 定义每个分类的颜色 (r, g, b)
    colors = [
        [1, 0, 0],  # 红色
        [0, 1, 0],  # 绿色
        [0, 0, 1],  # 蓝色
        [1, 1, 0]  # 黄色
    ]
    # 创建一个Open3D的点云对象列表
    point_cloud_objects = []
    for i, points in classified_points.items():
        # 创建点云对象
        point_cloud = o3d.geometry.PointCloud()
        # 将numpy点云数据赋值给点云对象
        point_cloud.points = o3d.utility.Vector3dVector(points)
        # 为点云赋予颜色
        point_cloud.paint_uniform_color(colors[i])
        # 将点云对象添加到列表中
        point_cloud_objects.append(point_cloud)

    # 可视化所有分类的点云
    o3d.visualization.draw_geometries(point_cloud_objects)
    return classified_points

def find_farthest_points_in_quadrants(points, center):
    # 初始化四个象限的最远点信息
    quadrants = {
        'upper_left': (-np.inf, None),
        'upper_right': (-np.inf, None),
        'lower_right': (-np.inf, None),
        'lower_left': (-np.inf, None)
    }

    for point in points:
        # 计算点到中心点的角度和距离
        angle = np.arctan2(point[1] - center[1], point[0] - center[0])
        distance = np.linalg.norm(point - center)

        # 确定点所在的象限，并更新该象限的最远点
        if -np.pi <= angle < -np.pi / 2:
            if distance > quadrants['lower_left'][0]:
                quadrants['lower_left'] = (distance, point)
        elif -np.pi / 2 <= angle < 0:
            if distance > quadrants['lower_right'][0]:
                quadrants['lower_right'] = (distance, point)
        elif 0 <= angle < np.pi / 2:
            if distance > quadrants['upper_right'][0]:
                quadrants['upper_right'] = (distance, point)
        elif np.pi / 2 <= angle <= np.pi:
            if distance > quadrants['upper_left'][0]:
                quadrants['upper_left'] = (distance, point)

    # 从四个象限中提取最远的点
    farthest_points = [quadrants[q][1] for q in quadrants]
    return np.array(farthest_points)


def visualize_points_and_lines(pcd_clap,points, lines):
    # 从点集创建点云对象
    pcd = o3d.geometry.PointCloud()
    pcd.points = o3d.utility.Vector3dVector(points)

    # 从点集和线集创建线集对象
    line_set = o3d.geometry.LineSet(
        points=o3d.utility.Vector3dVector(points),
        lines=o3d.utility.Vector2iVector(lines)
    )

    # 可视化点云和线集
    o3d.visualization.draw_geometries([pcd_clap,pcd, line_set])


class Ransac_fit():
    def __init__(self,pointcloud):
        """
        初始化参数
        """
        self.pcd = pointcloud  # 输入点云
        self.NPt = 0  # 输入点云
        self.NpPoints = np.asarray(self.pcd.points) # 点云numpy数组
        self.min_height = 0 # 点云最小高度
        self.max_height = 0 # 点云最大高度

    def get_min_max_horizontal_height(self):
        """
        求得点云的最低和最高的Z值
        """
        obb = self.pcd.get_axis_aligned_bounding_box()
        # 从包围盒坐标中获取最高和最低水平高度
        obb_points = np.asarray(obb.get_box_points())
        self.min_height = np.min(obb_points[:, 2])  # 最低水平高度
        self.max_height = np.max(obb_points[:, 2])  # 最高水平高度

    def clap_top_bottom(self):
        """
        沿着z轴拍平点云数据
        """
        pointsID_Window = []
        # 遍历所有点，并记录符合条件的点的索引
        for idx, point in enumerate(self.NpPoints):
            if self.min_height <= point[2] <= self.max_height:
                point[2] = 0
                pointsID_Window.append(idx)

        pcd_clap = self.pcd.select_by_index(pointsID_Window).voxel_down_sample(3)
        return pcd_clap

    def plane_fit(self,distance_threshold,ransac_n,num_iterations):
        """
        拍平平面到原来的平面
        """
        distance_threshold = 5 if distance_threshold == 0 else distance_threshold
        ransac_n = 5 if ransac_n == 0 else ransac_n
        num_iterations = 1000 if num_iterations == 0 else num_iterations
        segment_models, inliers = self.pcd.segment_plane(distance_threshold, ransac_n, num_iterations)
        # 获取平面的法向量并归一化
        normal_vector = np.array(segment_models[:3])
        normal_vector /= np.linalg.norm(normal_vector)
        # 计算每个点在法向量方向上的分量
        dot_products = np.dot(self.NpPoints, normal_vector)
        # 计算投影点
        projected_points = self.NpPoints -  0.8 * dot_products[:, np.newaxis] * normal_vector
        # 创建新的PointCloud对象
        projected_pcd = o3d.geometry.PointCloud()
        projected_pcd.points = o3d.utility.Vector3dVector(projected_points)
        return projected_pcd

def main():
    # 确保文件路径是正确的
    file_path = r"C:\Users\zhaojunzhe\Desktop\点云数据存储\钢梁.pts"
    # 读取点云数据
    pcd = o3d.io.read_point_cloud(file_path)
    o3d.visualization.draw_geometries([pcd])
    # 点云滤波
    cl, ind = pcd.remove_statistical_outlier(nb_neighbors=20, std_ratio=2.0)
    pcd = pcd.select_by_index(ind)
    # 创建拍平点云数据去拟合
    RANSAC = Ransac_fit(pcd)
    RANSAC.get_min_max_horizontal_height()
    clap_pointcloud = RANSAC.plane_fit(distance_threshold = 0,ransac_n = 0,num_iterations = 0)
    # 给点云上色
    colored_pcd = clap_pointcloud.paint_uniform_color([0, 0, 1])
    # 给定点云数据
    points = np.array(colored_pcd.points)
    # 计算点云数据的中心
    point_cloud_center = np.mean(points,axis = 0)
    # 找到相对于中心点在四个象限中距离最远的四个点
    farthest_points = find_farthest_points_in_quadrants(points[:, :3], point_cloud_center[:3])
    # 点云数据分类
    classified_points = classifiction_points(colored_pcd,farthest_points)
    # 最后三部分未来得及根据分割后的物体修改完善，请读者自行完善修改！
    # RANSAC线拟合
    line_fit(colored_pcd,classified_points)
    # 定义连接最远点的线集
    lines = [[i, (i + 1) % 4] for i in range(4)]
    # 可视化中心点、最远点和连接线
    visualize_points_and_lines(colored_pcd,farthest_points, lines)

if __name__ == '__main__':
    main()

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提取码：142t 
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