PCL点云分割(1)

简介: 点云分割是根据空间,几何和纹理等特征对点云进行划分,使得同一划分内的点云拥有相似的特征,点云的有效分割往往是许多应用的前提,例如逆向工作,CAD领域对零件的不同扫描表面进行分割,然后才能更好的进行空洞修复曲面重建,特征描述和提取,进而进行基于3D内容的检索,组合重用等。

点云分割是根据空间,几何和纹理等特征对点云进行划分,使得同一划分内的点云拥有相似的特征,点云的有效分割往往是许多应用的前提,例如逆向工作,CAD领域对零件的不同扫描表面进行分割,然后才能更好的进行空洞修复曲面重建,特征描述和提取,进而进行基于3D内容的检索,组合重用等。

案例分析

用一组点云数据做简单的平面的分割:

planar_segmentation.cpp

#include <iostream>
#include <pcl/ModelCoefficients.h>
#include <pcl/io/pcd_io.h>
#include <pcl/point_types.h>
#include <pcl/sample_consensus/method_types.h>   //随机参数估计方法头文件
#include <pcl/sample_consensus/model_types.h>   //模型定义头文件
#include <pcl/segmentation/sac_segmentation.h>   //基于采样一致性分割的类的头文件

int
 main (int argc, char** argv)
{
  pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>::Ptr cloud(new pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>);

  // 填充点云
  cloud->width  = 15;
  cloud->height = 1;
  cloud->points.resize (cloud->width * cloud->height);

  // 生成数据,采用随机数填充点云的x,y坐标,都处于z为1的平面上
  for (size_t i = 0; i < cloud->points.size (); ++i)
  {
    cloud->points[i].x = 1024 * rand () / (RAND_MAX + 1.0f);
    cloud->points[i].y = 1024 * rand () / (RAND_MAX + 1.0f);
    cloud->points[i].z = 1.0;
  }

  // 设置几个局外点,即重新设置几个点的z值,使其偏离z为1的平面
  cloud->points[0].z = 2.0;
  cloud->points[3].z = -2.0;
  cloud->points[6].z = 4.0;

  std::cerr << "Point cloud data: " << cloud->points.size () << " points" << std::endl;  //打印
  for (size_t i = 0; i < cloud->points.size (); ++i)
    std::cerr << "    " << cloud->points[i].x << " "
                        << cloud->points[i].y << " "
                        << cloud->points[i].z << std::endl;
  //创建分割时所需要的模型系数对象,coefficients及存储内点的点索引集合对象inliers
  pcl::ModelCoefficients::Ptr coefficients (new pcl::ModelCoefficients);
  pcl::PointIndices::Ptr inliers (new pcl::PointIndices);
  // 创建分割对象
  pcl::SACSegmentation<pcl::PointXYZ> seg;
  // 可选择配置,设置模型系数需要优化
  seg.setOptimizeCoefficients (true);
  // 必要的配置,设置分割的模型类型,所用的随机参数估计方法,距离阀值,输入点云
  seg.setModelType (pcl::SACMODEL_PLANE);   //设置模型类型
  seg.setMethodType (pcl::SAC_RANSAC);      //设置随机采样一致性方法类型
  seg.setDistanceThreshold (0.01);    //设定距离阀值,距离阀值决定了点被认为是局内点是必须满足的条件
                                       //表示点到估计模型的距离最大值,

  seg.setInputCloud (cloud);
  //引发分割实现,存储分割结果到点几何inliers及存储平面模型的系数coefficients
  seg.segment (*inliers, *coefficients);

  if (inliers->indices.size () == 0)
  {
    PCL_ERROR ("Could not estimate a planar model for the given dataset.");
    return (-1);
  }
  //打印出平面模型
  std::cerr << "Model coefficients: " << coefficients->values[0] << " " 
                                      << coefficients->values[1] << " "
                                      << coefficients->values[2] << " " 
                                      << coefficients->values[3] << std::endl;

  std::cerr << "Model inliers: " << inliers->indices.size () << std::endl;
  for (size_t i = 0; i < inliers->indices.size (); ++i)
    std::cerr << inliers->indices[i] << "    " << cloud->points[inliers->indices[i]].x << " "
                                               << cloud->points[inliers->indices[i]].y << " "
                                               << cloud->points[inliers->indices[i]].z << std::endl;

  return (0);
}

结果如下:开始打印的数据为手动添加的点云数据,并非都处于z为1的平面上,通过分割对象的处理后提取所有内点,即过滤掉z不等于1的点集

(2)实现圆柱体模型的分割:采用随机采样一致性估计从带有噪声的点云中提取一个圆柱体模型。

新建文件cylinder_segmentation.cpp

#include <pcl/ModelCoefficients.h>
#include <pcl/io/pcd_io.h>
#include <pcl/point_types.h>
#include <pcl/filters/extract_indices.h>
#include <pcl/filters/passthrough.h>
#include <pcl/features/normal_3d.h>
#include <pcl/sample_consensus/method_types.h>
#include <pcl/sample_consensus/model_types.h>
#include <pcl/segmentation/sac_segmentation.h>

typedef pcl::PointXYZ PointT;

int
main (int argc, char** argv)
{
  // All the objects needed
  pcl::PCDReader reader;                    //PCD文件读取对象
  pcl::PassThrough<PointT> pass;             //直通滤波对象
  pcl::NormalEstimation<PointT, pcl::Normal> ne;  //法线估计对象
  pcl::SACSegmentationFromNormals<PointT, pcl::Normal> seg;    //分割对象
  pcl::PCDWriter writer;            //PCD文件读取对象
  pcl::ExtractIndices<PointT> extract;      //点提取对象
  pcl::ExtractIndices<pcl::Normal> extract_normals;    ///点提取对象
  pcl::search::KdTree<PointT>::Ptr tree (new pcl::search::KdTree<PointT> ());

  // Datasets
  pcl::PointCloud<PointT>::Ptr cloud (new pcl::PointCloud<PointT>);
  pcl::PointCloud<PointT>::Ptr cloud_filtered (new pcl::PointCloud<PointT>);
  pcl::PointCloud<pcl::Normal>::Ptr cloud_normals (new pcl::PointCloud<pcl::Normal>);
  pcl::PointCloud<PointT>::Ptr cloud_filtered2 (new pcl::PointCloud<PointT>);
  pcl::PointCloud<pcl::Normal>::Ptr cloud_normals2 (new pcl::PointCloud<pcl::Normal>);
  pcl::ModelCoefficients::Ptr coefficients_plane (new pcl::ModelCoefficients), coefficients_cylinder (new pcl::ModelCoefficients);
  pcl::PointIndices::Ptr inliers_plane (new pcl::PointIndices), inliers_cylinder (new pcl::PointIndices);

  // Read in the cloud data
  reader.read ("table_scene_mug_stereo_textured.pcd", *cloud);
  std::cerr << "PointCloud has: " << cloud->points.size () << " data points." << std::endl;

  // 直通滤波,将Z轴不在(0,1.5)范围的点过滤掉,将剩余的点存储到cloud_filtered对象中
  pass.setInputCloud (cloud);
  pass.setFilterFieldName ("z");
  pass.setFilterLimits (0, 1.5);
  pass.filter (*cloud_filtered);
  std::cerr << "PointCloud after filtering has: " << cloud_filtered->points.size () << " data points." << std::endl;

  // 过滤后的点云进行法线估计,为后续进行基于法线的分割准备数据
  ne.setSearchMethod (tree);
  ne.setInputCloud (cloud_filtered);
  ne.setKSearch (50);
  ne.compute (*cloud_normals);

  // Create the segmentation object for the planar model and set all the parameters
  seg.setOptimizeCoefficients (true);
  seg.setModelType (pcl::SACMODEL_NORMAL_PLANE);
  seg.setNormalDistanceWeight (0.1);
  seg.setMethodType (pcl::SAC_RANSAC);
  seg.setMaxIterations (100);
  seg.setDistanceThreshold (0.03);
  seg.setInputCloud (cloud_filtered);
  seg.setInputNormals (cloud_normals);
  //获取平面模型的系数和处在平面的内点
  seg.segment (*inliers_plane, *coefficients_plane);
  std::cerr << "Plane coefficients: " << *coefficients_plane << std::endl;

  // 从点云中抽取分割的处在平面上的点集
  extract.setInputCloud (cloud_filtered);
  extract.setIndices (inliers_plane);
  extract.setNegative (false);

  // 存储分割得到的平面上的点到点云文件
  pcl::PointCloud<PointT>::Ptr cloud_plane (new pcl::PointCloud<PointT> ());
  extract.filter (*cloud_plane);
  std::cerr << "PointCloud representing the planar component: " << cloud_plane->points.size () << " data points." << std::endl;
  writer.write ("table_scene_mug_stereo_textured_plane.pcd", *cloud_plane, false);

  // Remove the planar inliers, extract the rest
  extract.setNegative (true);
  extract.filter (*cloud_filtered2);
  extract_normals.setNegative (true);
  extract_normals.setInputCloud (cloud_normals);
  extract_normals.setIndices (inliers_plane);
  extract_normals.filter (*cloud_normals2);

  // Create the segmentation object for cylinder segmentation and set all the parameters
  seg.setOptimizeCoefficients (true);   //设置对估计模型优化
  seg.setModelType (pcl::SACMODEL_CYLINDER);  //设置分割模型为圆柱形
  seg.setMethodType (pcl::SAC_RANSAC);       //参数估计方法
  seg.setNormalDistanceWeight (0.1);       //设置表面法线权重系数
  seg.setMaxIterations (10000);              //设置迭代的最大次数10000
  seg.setDistanceThreshold (0.05);         //设置内点到模型的距离允许最大值
  seg.setRadiusLimits (0, 0.1);             //设置估计出的圆柱模型的半径的范围
  seg.setInputCloud (cloud_filtered2);
  seg.setInputNormals (cloud_normals2);

  // Obtain the cylinder inliers and coefficients
  seg.segment (*inliers_cylinder, *coefficients_cylinder);
  std::cerr << "Cylinder coefficients: " << *coefficients_cylinder << std::endl;

  // Write the cylinder inliers to disk
  extract.setInputCloud (cloud_filtered2);
  extract.setIndices (inliers_cylinder);
  extract.setNegative (false);
  pcl::PointCloud<PointT>::Ptr cloud_cylinder (new pcl::PointCloud<PointT> ());
  extract.filter (*cloud_cylinder);
  if (cloud_cylinder->points.empty ()) 
    std::cerr << "Can't find the cylindrical component." << std::endl;
  else
  {
      std::cerr << "PointCloud representing the cylindrical component: " << cloud_cylinder->points.size () << " data points." << std::endl;
      writer.write ("table_scene_mug_stereo_textured_cylinder.pcd", *cloud_cylinder, false);
  }
  return (0);
}

试验打印的结果如下

原始点云可视化的结果.三维场景中有平面,杯子,和其他物体

产生分割以后的平面和圆柱点云,查看的结果如下

   

(3)PCL中实现欧式聚类提取。对三维点云组成的场景进行分割

#include <pcl/ModelCoefficients.h>
#include <pcl/point_types.h>
#include <pcl/io/pcd_io.h>
#include <pcl/filters/extract_indices.h>
#include <pcl/filters/voxel_grid.h>
#include <pcl/features/normal_3d.h>
#include <pcl/kdtree/kdtree.h>
#include <pcl/sample_consensus/method_types.h>
#include <pcl/sample_consensus/model_types.h>
#include <pcl/segmentation/sac_segmentation.h>
#include <pcl/segmentation/extract_clusters.h>

/******************************************************************************
 打开点云数据,并对点云进行滤波重采样预处理,然后采用平面分割模型对点云进行分割处理
 提取出点云中所有在平面上的点集,并将其存盘
******************************************************************************/
int 
main (int argc, char** argv)
{
  // Read in the cloud data
  pcl::PCDReader reader;
  pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>::Ptr cloud (new pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>), cloud_f (new pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>);
  reader.read ("table_scene_lms400.pcd", *cloud);
  std::cout << "PointCloud before filtering has: " << cloud->points.size () << " data points." << std::endl; //*

  // Create the filtering object: downsample the dataset using a leaf size of 1cm
  pcl::VoxelGrid<pcl::PointXYZ> vg;
  pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>::Ptr cloud_filtered (new pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>);
  vg.setInputCloud (cloud);
  vg.setLeafSize (0.01f, 0.01f, 0.01f);
  vg.filter (*cloud_filtered);
  std::cout << "PointCloud after filtering has: " << cloud_filtered->points.size ()  << " data points." << std::endl; //*
   //创建平面模型分割的对象并设置参数
  pcl::SACSegmentation<pcl::PointXYZ> seg;
  pcl::PointIndices::Ptr inliers (new pcl::PointIndices);
  pcl::ModelCoefficients::Ptr coefficients (new pcl::ModelCoefficients);
  pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>::Ptr cloud_plane (new pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ> ());
  
  pcl::PCDWriter writer;
  seg.setOptimizeCoefficients (true);
  seg.setModelType (pcl::SACMODEL_PLANE);    //分割模型
  seg.setMethodType (pcl::SAC_RANSAC);       //随机参数估计方法
  seg.setMaxIterations (100);                //最大的迭代的次数
  seg.setDistanceThreshold (0.02);           //设置阀值

  int i=0, nr_points = (int) cloud_filtered->points.size ();
  while (cloud_filtered->points.size () > 0.3 * nr_points)
  {
    // Segment the largest planar component from the remaining cloud
    seg.setInputCloud (cloud_filtered);
    seg.segment (*inliers, *coefficients);
    if (inliers->indices.size () == 0)
    {
      std::cout << "Could not estimate a planar model for the given dataset." << std::endl;
      break;
    }

   
    pcl::ExtractIndices<pcl::PointXYZ> extract;
    extract.setInputCloud (cloud_filtered);
    extract.setIndices (inliers);
    extract.setNegative (false);

    // Get the points associated with the planar surface
    extract.filter (*cloud_plane);
    std::cout << "PointCloud representing the planar component: " << cloud_plane->points.size () << " data points." << std::endl;

    //  // 移去平面局内点,提取剩余点云
    extract.setNegative (true);
    extract.filter (*cloud_f);
    *cloud_filtered = *cloud_f;
  }

  // Creating the KdTree object for the search method of the extraction
  pcl::search::KdTree<pcl::PointXYZ>::Ptr tree (new pcl::search::KdTree<pcl::PointXYZ>);
  tree->setInputCloud (cloud_filtered);

  std::vector<pcl::PointIndices> cluster_indices;
  pcl::EuclideanClusterExtraction<pcl::PointXYZ> ec;   //欧式聚类对象
  ec.setClusterTolerance (0.02);                     // 设置近邻搜索的搜索半径为2cm
  ec.setMinClusterSize (100);                 //设置一个聚类需要的最少的点数目为100
  ec.setMaxClusterSize (25000);               //设置一个聚类需要的最大点数目为25000
  ec.setSearchMethod (tree);                    //设置点云的搜索机制
  ec.setInputCloud (cloud_filtered);
  ec.extract (cluster_indices);           //从点云中提取聚类,并将点云索引保存在cluster_indices中
  //迭代访问点云索引cluster_indices,直到分割处所有聚类
  int j = 0;
  for (std::vector<pcl::PointIndices>::const_iterator it = cluster_indices.begin (); it != cluster_indices.end (); ++it)
  {
    pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>::Ptr cloud_cluster (new pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>);
    for (std::vector<int>::const_iterator pit = it->indices.begin (); pit != it->indices.end (); ++pit)
    
    cloud_cluster->points.push_back (cloud_filtered->points[*pit]); //*
    cloud_cluster->width = cloud_cluster->points.size ();
    cloud_cluster->height = 1;
    cloud_cluster->is_dense = true;

    std::cout << "PointCloud representing the Cluster: " << cloud_cluster->points.size () << " data points." << std::endl;
    std::stringstream ss;
    ss << "cloud_cluster_" << j << ".pcd";
    writer.write<pcl::PointXYZ> (ss.str (), *cloud_cluster, false); //*
    j++;
  }

  return (0);
}

运行结果:

不再一一查看可视化的结果

为了更切合实际的应用我会在这些基本的程序的基础上,进行与实际结合的实例,因为这些都是官方给的实例,我是首先学习一下,至少过一面,这样在后期结合实际应用的过程中会更加容易一点。(因为我也是一边学习,然后回头再在基础上进行更修)

同时有很多在我的微信公众号上的同学后台与我交流,有时候不能即时回复敬请谅解,(之前,就有一个不知道哪个学校的关注后就一直问我问题,告诉它基本的案例,还要我告诉他怎么实现,本人不才,我也是入门者阿,)

请扫面二维码关注

 

相关文章
|
机器学习/深度学习 存储 编解码
Open3d系列 | 3. Open3d实现点云上采样、点云聚类、点云分割以及点云重建
Open3d系列 | 3. Open3d实现点云上采样、点云聚类、点云分割以及点云重建
6395 0
Open3d系列 | 3. Open3d实现点云上采样、点云聚类、点云分割以及点云重建
|
7月前
|
C++ Python
C++ PCL三维点云物体目标识别
C++ PCL三维点云物体目标识别
404 1
C++ PCL三维点云物体目标识别
|
传感器 编解码 索引
|
存储 算法
|
数据可视化 算法
uiz
|
C语言
potree 3D点云初探遇到的各种坑
############################ //Potree 介绍 //开源初探 https://blog.csdn.net/jz_x/article/details/78899357 //依赖的三方库 https://www.
uiz
5426 0
|
算法 数据挖掘 资源调度
PCL中分割方法的介绍(2)
(2)关于上一篇博文中提到的欧几里德分割法称之为标准的距离分离,当然接下来介绍其他的与之相关的延伸出来的聚类的方法,我称之为条件欧几里德聚类法,(是我的个人理解),这个条件的设置是可以由我们自定义的,因为除了距离检查,聚类的点还需要满足一个特殊的自定义的要求,就是以第一个点为标准作为种子点,候选其周...
1616 0
|
算法 数据挖掘 定位技术
PCL中分割方法的介绍(3)
(3)上两篇介绍了关于欧几里德分割,条件分割,最小分割法等等还有之前就有用RANSAC法的分割方法,这一篇是关于区域生成的分割法, 区 域生长的基本 思想是: 将具有相似性的像素集合起来构成区域。首先对每个需要分割的区域找出一个种子像素作为生长的起点,然后将种子像素周围邻域中与种子有相同或相似性质的像素 (根据事先确定的生长或相似准则来确定)合并到种子像素所在的区域中。
2208 0
|
算法 数据可视化 数据挖掘
PCL中分割_欧式分割(1)
基于欧式距离的分割和基于区域生长的分割本质上都是用区分邻里关系远近来完成的。由于点云数据提供了更高维度的数据,故有很多信息可以提取获得。欧几里得算法使用邻居之间距离作为判定标准,而区域生长算法则利用了法线,曲率,颜色等信息来判断点云是否应该聚成一类。
2403 0
|
编解码 数据可视化 数据挖掘
PCL特征点与配准(1)
关于输入一个具体的物体的点云,从场景中找出与该物体点云相匹配的,这种方法可以用来抓取指定的物体等等,具体的代码的解释如下,需要用到的一些基础的知识,在之前的博客中都有提及,其中用到的一些方法可以翻阅前面的博客,当然有问题可以关注公众号,与众多爱好者一起交流 具体的代码实现 #include #include //点云类型头文件 #include //对应表示两个实体之间的匹配(例如,点,描述符等)。
2407 0