点云配准方法原理(NDT、ICP)

news/2024/11/14 15:43:27/

配准是点云处理中的一个基础问题,众多学者此问题进行了广泛而深入的研究,也出现了一系列优秀成熟的算法,在三维建模、自动驾驶等领域发挥着重要的作用。

本文主要介绍粗配准NDT (Normal Distribution Transform) 与 精配准ICP (Iterative Closest Point)两种经典算法。

NDT (Normal Distribution Transform)点云配准

在去年曾经对NDT原理进行了简单总结,大家可以参考链接:点云配准NDT (P2D)算法详解。

ICP (Iterative Closest Point)点云配准

参考:
基于SVD求解 3D-3D 点对匹配
该如何学习三维点云配准的相关知识?
ICP是经典的精配准算法,其以“点”为配准基元,不断迭代求得最优的位姿,最终使得目标函数最小。

点云集合

假设存在两个点云集合,
目标点云 (target cloud ):P={p1,p2,p3,...,pn}P=\{p_1, p_2, p_3,..., p_n\}P={p1,p2,p3,...,pn}
在这里插入图片描述
源点云 (source cloud):Q={q1,q2,q3,...,qn}Q=\{q_1, q_2, q_3,..., q_n\}Q={q1,q2,q3,...,qn}
在这里插入图片描述
两者叠加显示:
在这里插入图片描述
可以看到上图中的两帧点云之间存在一个偏差,这个偏差需要一个位姿变换(R,t)(R, t)(R,t)进行转换。

构造目标函数

ICP算法则希望得到一个最优的位姿变换(R∗,t∗)(R^*, t^*)(R,t)使得下式目标函数最小:
f(R∗,t∗)=MIN(1Np∑i=1Np∣pit−(R∗qis+t∗)∣2)f(R^*, t^*)=MIN(\frac{1}{N_p}{\textstyle \sum_{i=1}^{N_p}\left | p_{i}^{t}-(R^*q_{i}^{s}+t^*) \right |^2 } )f(R,t)=MIN(Np1i=1Nppit(Rqis+t)2)
其中NpN_pNp为配对点云个数,pitp_{i}^{t}pitqisq_{i}^{s}qis是目标点云与源点云中的一对配对点。

寻找对应点对

起始步骤中,我们只有一系列无序的三维点,并没有对应的pitp_{i}^{t}pitqisq_{i}^{s}qis点对。ICP中定义了“最近邻点”的定义。

  • 使用一个初始位姿(R0,t0)(R^0, t^0)(R0,t0)对源点云QQQ进行变换,得到一个变换后的点云Q′Q'Q
  • 对变换后的点云Q′Q'Q中的点qi′q_{i}^{'}qi在目标点云中查找最近邻点pjp_{j}pj,如果两点之间的距离小于预先设置的阈值,则认为点qi′q_{i}^{'}qi与点pjp_{j}pj为对应的点对。

优化位姿变换(R,t)(R, t)(R,t)

找到所有合理的最近邻点对之后,则每一个点对都可以构建一个函数(每个点对类似于一个观测),而待求变量(R,t)(R, t)(R,t)只有6个自由度。所以我们有了NpN_pNp个观测,6个待求变量。使用最小二乘进行优化求解。

这样我们就更新了初始位姿(R0,t0)(R^0, t^0)(R0,t0)为新的(R1,t1)(R^1, t^1)(R1,t1)

迭代优化

得到新的位姿变换(R1,t1)(R^1, t^1)(R1,t1)之后,我们再次回到寻找对应点对步骤中,重新转换源点云QQQQ2Q^2Q2,查找Q2Q^2Q2PPP新的点对。
接着,进行新的 “优化位姿变换(R,t)(R, t)(R,t)” 步骤,重复得到新的优化位姿(R2,t2)(R^2, t^2)(R2,t2)

直到达到迭代停止条件,如:1)达到最大迭代次数,或2)位姿变化量小于阈值,或3)最近邻点对不再变化等则终止迭代。

调用PCL库

参考链接:Interactive Iterative Closest Point

  1#include <iostream>2#include <string>34#include <pcl/io/ply_io.h>5#include <pcl/point_types.h>6#include <pcl/registration/icp.h>7#include <pcl/visualization/pcl_visualizer.h>8#include <pcl/console/time.h>   // TicToc910typedef pcl::PointXYZ PointT;11typedef pcl::PointCloud<PointT> PointCloudT;1213bool next_iteration = false;1415void16print4x4Matrix (const Eigen::Matrix4d & matrix)17{18  printf ("Rotation matrix :\n");19  printf ("    | %6.3f %6.3f %6.3f | \n", matrix (0, 0), matrix (0, 1), matrix (0, 2));20  printf ("R = | %6.3f %6.3f %6.3f | \n", matrix (1, 0), matrix (1, 1), matrix (1, 2));21  printf ("    | %6.3f %6.3f %6.3f | \n", matrix (2, 0), matrix (2, 1), matrix (2, 2));22  printf ("Translation vector :\n");23  printf ("t = < %6.3f, %6.3f, %6.3f >\n\n", matrix (0, 3), matrix (1, 3), matrix (2, 3));24}2526void27keyboardEventOccurred (const pcl::visualization::KeyboardEvent& event,28                       void*)29{30  if (event.getKeySym () == "space" && event.keyDown ())31    next_iteration = true;32}3334int35main (int argc,36      char* argv[])37{38  // The point clouds we will be using39  PointCloudT::Ptr cloud_in (new PointCloudT);  // Original point cloud40  PointCloudT::Ptr cloud_tr (new PointCloudT);  // Transformed point cloud41  PointCloudT::Ptr cloud_icp (new PointCloudT);  // ICP output point cloud4243  // Checking program arguments44  if (argc < 2)45  {46    printf ("Usage :\n");47    printf ("\t\t%s file.ply number_of_ICP_iterations\n", argv[0]);48    PCL_ERROR ("Provide one ply file.\n");49    return (-1);50  }5152  int iterations = 1;  // Default number of ICP iterations53  if (argc > 2)54  {55    // If the user passed the number of iteration as an argument56    iterations = atoi (argv[2]);57    if (iterations < 1)58    {59      PCL_ERROR ("Number of initial iterations must be >= 1\n");60      return (-1);61    }62  }6364  pcl::console::TicToc time;65  time.tic ();66  if (pcl::io::loadPLYFile (argv[1], *cloud_in) < 0)67  {68    PCL_ERROR ("Error loading cloud %s.\n", argv[1]);69    return (-1);70  }71  std::cout << "\nLoaded file " << argv[1] << " (" << cloud_in->size () << " points) in " << time.toc () << " ms\n" << std::endl;7273  // Defining a rotation matrix and translation vector74  Eigen::Matrix4d transformation_matrix = Eigen::Matrix4d::Identity ();7576  // A rotation matrix (see https://en.wikipedia.org/wiki/Rotation_matrix)77  double theta = M_PI / 8;  // The angle of rotation in radians78  transformation_matrix (0, 0) = std::cos (theta);79  transformation_matrix (0, 1) = -sin (theta);80  transformation_matrix (1, 0) = sin (theta);81  transformation_matrix (1, 1) = std::cos (theta);8283  // A translation on Z axis (0.4 meters)84  transformation_matrix (2, 3) = 0.4;8586  // Display in terminal the transformation matrix87  std::cout << "Applying this rigid transformation to: cloud_in -> cloud_icp" << std::endl;88  print4x4Matrix (transformation_matrix);8990  // Executing the transformation91  pcl::transformPointCloud (*cloud_in, *cloud_icp, transformation_matrix);92  *cloud_tr = *cloud_icp;  // We backup cloud_icp into cloud_tr for later use9394  // The Iterative Closest Point algorithm95  time.tic ();96  pcl::IterativeClosestPoint<PointT, PointT> icp;97  icp.setMaximumIterations (iterations);98  icp.setInputSource (cloud_icp);99  icp.setInputTarget (cloud_in);
100  icp.align (*cloud_icp);
101  icp.setMaximumIterations (1);  // We set this variable to 1 for the next time we will call .align () function
102  std::cout << "Applied " << iterations << " ICP iteration(s) in " << time.toc () << " ms" << std::endl;
103
104  if (icp.hasConverged ())
105  {
106    std::cout << "\nICP has converged, score is " << icp.getFitnessScore () << std::endl;
107    std::cout << "\nICP transformation " << iterations << " : cloud_icp -> cloud_in" << std::endl;
108    transformation_matrix = icp.getFinalTransformation ().cast<double>();
109    print4x4Matrix (transformation_matrix);
110  }
111  else
112  {
113    PCL_ERROR ("\nICP has not converged.\n");
114    return (-1);
115  }
116
117  // Visualization
118  pcl::visualization::PCLVisualizer viewer ("ICP demo");
119  // Create two vertically separated viewports
120  int v1 (0);
121  int v2 (1);
122  viewer.createViewPort (0.0, 0.0, 0.5, 1.0, v1);
123  viewer.createViewPort (0.5, 0.0, 1.0, 1.0, v2);
124
125  // The color we will be using
126  float bckgr_gray_level = 0.0;  // Black
127  float txt_gray_lvl = 1.0 - bckgr_gray_level;
128
129  // Original point cloud is white
130  pcl::visualization::PointCloudColorHandlerCustom<PointT> cloud_in_color_h (cloud_in, (int) 255 * txt_gray_lvl, (int) 255 * txt_gray_lvl,
131                                                                             (int) 255 * txt_gray_lvl);
132  viewer.addPointCloud (cloud_in, cloud_in_color_h, "cloud_in_v1", v1);
133  viewer.addPointCloud (cloud_in, cloud_in_color_h, "cloud_in_v2", v2);
134
135  // Transformed point cloud is green
136  pcl::visualization::PointCloudColorHandlerCustom<PointT> cloud_tr_color_h (cloud_tr, 20, 180, 20);
137  viewer.addPointCloud (cloud_tr, cloud_tr_color_h, "cloud_tr_v1", v1);
138
139  // ICP aligned point cloud is red
140  pcl::visualization::PointCloudColorHandlerCustom<PointT> cloud_icp_color_h (cloud_icp, 180, 20, 20);
141  viewer.addPointCloud (cloud_icp, cloud_icp_color_h, "cloud_icp_v2", v2);
142
143  // Adding text descriptions in each viewport
144  viewer.addText ("White: Original point cloud\nGreen: Matrix transformed point cloud", 10, 15, 16, txt_gray_lvl, txt_gray_lvl, txt_gray_lvl, "icp_info_1", v1);
145  viewer.addText ("White: Original point cloud\nRed: ICP aligned point cloud", 10, 15, 16, txt_gray_lvl, txt_gray_lvl, txt_gray_lvl, "icp_info_2", v2);
146
147  std::stringstream ss;
148  ss << iterations;
149  std::string iterations_cnt = "ICP iterations = " + ss.str ();
150  viewer.addText (iterations_cnt, 10, 60, 16, txt_gray_lvl, txt_gray_lvl, txt_gray_lvl, "iterations_cnt", v2);
151
152  // Set background color
153  viewer.setBackgroundColor (bckgr_gray_level, bckgr_gray_level, bckgr_gray_level, v1);
154  viewer.setBackgroundColor (bckgr_gray_level, bckgr_gray_level, bckgr_gray_level, v2);
155
156  // Set camera position and orientation
157  viewer.setCameraPosition (-3.68332, 2.94092, 5.71266, 0.289847, 0.921947, -0.256907, 0);
158  viewer.setSize (1280, 1024);  // Visualiser window size
159
160  // Register keyboard callback :
161  viewer.registerKeyboardCallback (&keyboardEventOccurred, (void*) NULL);
162
163  // Display the visualiser
164  while (!viewer.wasStopped ())
165  {
166    viewer.spinOnce ();
167
168    // The user pressed "space" :
169    if (next_iteration)
170    {
171      // The Iterative Closest Point algorithm
172      time.tic ();
173      icp.align (*cloud_icp);
174      std::cout << "Applied 1 ICP iteration in " << time.toc () << " ms" << std::endl;
175
176      if (icp.hasConverged ())
177      {
178        printf ("\033[11A");  // Go up 11 lines in terminal output.
179        printf ("\nICP has converged, score is %+.0e\n", icp.getFitnessScore ());
180        std::cout << "\nICP transformation " << ++iterations << " : cloud_icp -> cloud_in" << std::endl;
181        transformation_matrix *= icp.getFinalTransformation ().cast<double>();  // WARNING /!\ This is not accurate! For "educational" purpose only!
182        print4x4Matrix (transformation_matrix);  // Print the transformation between original pose and current pose
183
184        ss.str ("");
185        ss << iterations;
186        std::string iterations_cnt = "ICP iterations = " + ss.str ();
187        viewer.updateText (iterations_cnt, 10, 60, 16, txt_gray_lvl, txt_gray_lvl, txt_gray_lvl, "iterations_cnt");
188        viewer.updatePointCloud (cloud_icp, cloud_icp_color_h, "cloud_icp_v2");
189      }
190      else
191      {
192        PCL_ERROR ("\nICP has not converged.\n");
193        return (-1);
194      }
195    }
196    next_iteration = false;
197  }
198  return (0);
199}

配准结果

图中红色为目标帧点云,蓝色为转换后的源点云。
在这里插入图片描述


http://www.ppmy.cn/news/26302.html

相关文章

2023Python接口自动化测试实战教程,附视频实战讲解

这两天一直在找直接用python做接口自动化的方法&#xff0c;在网上也搜了一些博客参考&#xff0c;今天自己动手试了一下。 一、整体结构 上图是项目的目录结构&#xff0c;下面主要介绍下每个目录的作用。 Common:公共方法:主要放置公共的操作的类&#xff0c;比如数据库sql…

[python入门㊾] - python异常中的断言

目录 ❤ 断言的功能与语法 ❤ 常用断言 ❤ 常用的断言表达方式 ❤ 异常断言 ❤ 正则断言 ❤ 检查断言装饰器 ❤ 断言的功能与语法 Python assert&#xff08;断言&#xff09;用于判断一个表达式&#xff0c;在表达式条件为 False 的时候触发异常 断言可以在条件…

JVM10垃圾回收算法

1.什么是垃圾&#xff1f; 垃圾是指在运行程序中没有任何指针指向的对象&#xff0c;这个对象就是需要被回收的垃圾。 如果不及时对内存中的垃圾进行清理&#xff0c;那么&#xff0c;这些垃圾对象所占的内存空间会一直保留到应用程序的结束&#xff0c;被保留的空间无法被其…

一文彻底理解大小端和位域 BIGENDIAN LITTLEENDIAN

一文彻底理解大小端和位域 为什么有大小端 人们一直认为大道至简&#xff0c;就好像物理学上的世界追求使用一个理论来统一所有的现象。为什么cpu存在大小端之分&#xff0c;一言以蔽之&#xff0c;这两种模式各有各的优点&#xff0c;其各自的优点就是对方的缺点&#xff0c…

Python量化入门:关于收益率的一些概念

今天我们简单地介绍关于收益率的一些概念,方便大家理解我们后续的量化教程的分享。这些都很简单,但是请有经验的读者理解,毕竟有些读者没有这些基础,后边理解起来可能会有些吃力。 一、收益率简介 在金融领域,收益率是我们耳熟能详的一个名词。资产的收益率是指投入资产…

2.19 索引和事务

一.联合查询面试问题:聚合查询与联合查询的区别聚合查询是行与行之间的数据加工聚合函数 :count,sum,avg...group by 进行分组,指定列的值,相同的记录合并到同一个组,每个组又可以分别进行聚合查询分组还可以指定条件筛选,如果分组之前指定条件 用where,如果对分组之后指定条件…

补充前端面试题(三)

图片懒加载<!DOCTYPE html> <html lang"en"><head><meta charset"UTF-8"><meta http-equiv"X-UA-Compatible" content"IEedge"><meta name"viewport" content"widthdevice-width, in…

使用vector<char>作为输入缓冲区

一、引言 当我们编写代码&#xff1a;实现网络接收、读取文件内容等功能时&#xff0c;我们往往要在内存中开辟一个输入缓冲区(又名&#xff1a;input buffer/读缓冲区&#xff09;来存贮接收到的数据。在C里面我们可以用如下方法开辟输入缓冲区。 ①使用C语言中的数组&#x…