pybind11 | 绑定CGAL几何算法（numpy数据交换）

news2024/9/30 13:27:18

文章目录

  • 一 前言
  • 二 numpy数据交换
    • 2.1 pybind11对numpy的支持
    • 2.2 Numpy VF(py::array_t)与CGAL mesh(Surface Mesh)之间的转换
  • 三 绑定CGAL算法示例
    • 3.1 示例函数
    • 3.2 绑定部分代码
    • 3.3 示例完整代码
  • 四 编译生成和测试
    • 4.1 编译生成pyd文件
    • 4.2 Python调用测试
  • 五 总结
  • 参考和拓展

一 前言

对于CGAL，前段时间也用过相关的Python绑定，详情见文章：【CGAL+Python】安装CGAL的Python绑定。如果我们想要调用[Polygon Mesh Processing](CGAL 5.5.1 - Polygon Mesh Processing: User Manual)中的算法，在不就地读取网格文件的前提下，需要在Python代码中构建CGAL的多边形网格对象，显得非常的不方便和蹩脚。正好，我在之前使用过libigl库的Python绑定，其数据通过numpy进行交换，即输入和输出都是numpy数组。于是，在对pybind11进行了一段时间的学习后，我开始尝试通过pybind11对CGAL的相关函数进行绑定生成Python调用接口，更重要的是使用numpy数组进行数据交换。

二 numpy数据交换

2.1 pybind11对numpy的支持

在pybind11/numpy.h头文件中，提供了对Numpy array的支持。我们可以通过py::array_t<T>来实现一个Numpy array。

py::array_t支持一些基于Numpy的API：

  • .dtype()返回数组元素的类型。
  • .strides()返回数组strides的指针。
  • .reshape({i, j, ...})返回指定shape的数组视图。.resize({})也可以。
  • .index_at(i, j, ...)获取数组指定索引的元素。

为了更高效地访问大型数组，pybind11提供了不带检查的代理类unchecked<N>和mutable_unchecked<N>，其中N为数组所需的维数。

m.def("sum_3d", [](py::array_t<double> x) {
    auto r = x.unchecked<3>(); // x must have ndim = 3; can be non-writeable
    double sum = 0;
    for (py::ssize_t i = 0; i < r.shape(0); i++)
        for (py::ssize_t j = 0; j < r.shape(1); j++)
            for (py::ssize_t k = 0; k < r.shape(2); k++)
                sum += r(i, j, k);
    return sum;
});
m.def("increment_3d", [](py::array_t<double> x) {
    auto r = x.mutable_unchecked<3>(); // Will throw if ndim != 3 or flags.writeable is false
    for (py::ssize_t i = 0; i < r.shape(0); i++)
        for (py::ssize_t j = 0; j < r.shape(1); j++)
            for (py::ssize_t k = 0; k < r.shape(2); k++)
                r(i, j, k) += 1.0;
}, py::arg().noconvert());

这两个代理类的区别就是：当只用从一个array_t<T>对象中读取数据时，我们使用unchecked<N>对它进行代理访问；当我们需要修改一个array_t<T>对象中的数据时，我们使用mutable_unchecked<N>对它进行代理访问。

同时Numpy array支持缓冲协议（buffer protocol），因此我们也可以通过.request()对其的缓冲区信息进行访问。

struct buffer_info {
    void *ptr;	// Pointer to the underlying storage
    py::ssize_t itemsize;	// Size of individual items in bytes
    std::string format;
    py::ssize_t ndim;		// Number of dimensions
    std::vector<py::ssize_t> shape; // Shape of the tensor (1 entry per dimension)
    std::vector<py::ssize_t> strides;	//Number of bytes between adjacent entries
};

其他详细信息参见文档：NumPy - pybind11 documentation。

2.2 Numpy VF(py::array_t)与CGAL mesh(Surface Mesh)之间的转换

// 将Numpy VF转换成CGAL mesh
CGAL_Mesh convert_mesh_from_Numpy_to_CGAL(py::array_t<double>& V, py::array_t<int>& F)
{
    CGAL_Mesh CGAL_mesh;
    // 获取V, F的信息
    py::buffer_info buf_v = V.request();
    py::buffer_info buf_f = F.request();
    if (buf_v.shape[1] != 3)
        throw std::runtime_error("vertex must be 3 dims ");
    if (buf_f.shape[1] != 3)
        throw std::runtime_error("face must be 3 dims ");

    auto v = V.unchecked<2>();
    auto f = F.unchecked<2>();

    // clear and reserve the mesh
    CGAL_mesh.clear();
    int vn = buf_v.shape[0];    // 顶点个数
    int fn = buf_f.shape[0];    // 面个数
    int e = 0;
    CGAL_mesh.reserve(vn, 2 * fn, e);

    //copy the vertices
    double x, y, z;
    for (py::ssize_t i = 0; i < v.shape(0); i++)
    {
        Point p;
        x = v(i, 0);
        y = v(i, 1);
        z = v(i, 2);
        p = Point(x, y, z);
        CGAL_mesh.add_vertex(p);
    }

    // copy the faces
    std::vector <int> vertices;
    for (py::ssize_t i = 0; i < f.shape(0); i++)
    {
        vertices.resize(3);
        vertices[0] = f(i, 0);
        vertices[1] = f(i, 1);
        vertices[2] = f(i, 2);
        CGAL_mesh.add_face(CGAL_Mesh::Vertex_index(vertices[0]),
            CGAL_Mesh::Vertex_index(vertices[1]),
            CGAL_Mesh::Vertex_index(vertices[2]));
    }

    return CGAL_mesh;
}

// 将CGAL mesh转换成Numpy VF
std::pair<py::array_t<double>, py::array_t<int>> convert_mesh_from_CGAL_to_Numpy(CGAL_Mesh& CGAL_mesh)
{
    //申请内存
    py::array_t<double> V = py::array_t<double>(CGAL_mesh.number_of_vertices() * 3);
    py::array_t<int> F = py::array_t<int>(CGAL_mesh.number_of_faces() * 3);
    std::pair<py::array_t<double>, py::array_t<int>> VF(V,F);

    V.resize({ int(CGAL_mesh.number_of_vertices()), 3 });
    F.resize({ int(CGAL_mesh.number_of_faces()), 3 });

    auto v = V.mutable_unchecked<2>();  // mutable_unchecked: can be writeable
    auto f = F.mutable_unchecked<2>();

    int i = 0;
    for (CGAL_Mesh::Vertex_index vd : vertices(CGAL_mesh))
    {
        v(i, 0) = CGAL_mesh.point(vd).x();
        v(i, 1) = CGAL_mesh.point(vd).y();
        v(i, 2) = CGAL_mesh.point(vd).z();
        i++;
    }

    i = 0;
    for (CGAL_Mesh::Face_index fd : faces(CGAL_mesh))
    {
        int j = 0;
        for (CGAL_Mesh::Vertex_index vd : CGAL::vertices_around_face(CGAL_mesh.halfedge(fd), CGAL_mesh))
        {
            f(i, j) = int(vd);
            j++;
        }
        i++;
    }

    return VF;
}

三 绑定CGAL算法示例

3.1 示例函数

在本文中我们尝试绑定[Polygon Mesh Processing](CGAL 5.5.1 - Polygon Mesh Processing: User Manual)中的isotropic_remeshing函数。

struct halfedge2edge
{
    halfedge2edge(const CGAL_Mesh& m, std::vector<edge_descriptor>& edges)
        : m_mesh(m), m_edges(edges)
    {}
    void operator()(const halfedge_descriptor& h) const
    {
        m_edges.push_back(edge(h, m_mesh));
    }
    const CGAL_Mesh& m_mesh;
    std::vector<edge_descriptor>& m_edges;
};

std::pair<py::array_t<double>, py::array_t<int>> isotropic_remeshing(py::array_t<double>& V, py::array_t<int>& F, double target_edge_length = 1, unsigned int nb_iter = 5)
{
    CGAL_Mesh mesh = convert_mesh_from_Numpy_to_CGAL(V, F);
    std::vector<edge_descriptor> border;
    PMP::border_halfedges(faces(mesh), mesh, boost::make_function_output_iterator(halfedge2edge(mesh, border)));
    PMP::split_long_edges(border, target_edge_length, mesh);
    PMP::isotropic_remeshing(faces(mesh), target_edge_length, mesh,
        CGAL::parameters::number_of_iterations(nb_iter)
        .protect_constraints(true));
    return convert_mesh_from_CGAL_to_Numpy(mesh);
}

3.2 绑定部分代码

PYBIND11_MODULE(numpy_cgal, m) {

    m.doc() = "The CGAL geometry algorithms which called via the Numpy array";
    m.def("isotropic_remeshing", &isotropic_remeshing, "remeshes a triangular mesh",
        py::arg("V"), py::arg("F"), 
        py::arg("target_edge_length") = 1, py::arg("nb_iter") = 5);

}

3.3 示例完整代码

#include <pybind11/pybind11.h>
#include <pybind11/numpy.h>
#include <CGAL/Surface_mesh.h>
#include <CGAL/Simple_cartesian.h>
#include <CGAL/Polygon_mesh_processing/remesh.h>
namespace PMP = CGAL::Polygon_mesh_processing;
namespace py = pybind11;
typedef CGAL::Simple_cartesian<double>                          Kernal;
typedef Kernal::Point_3                                         Point;
typedef CGAL::Surface_mesh<Point>                               CGAL_Mesh;
typedef boost::graph_traits<CGAL_Mesh>::halfedge_descriptor     halfedge_descriptor;
typedef boost::graph_traits<CGAL_Mesh>::edge_descriptor         edge_descriptor;


// 将Numpy VF转换成CGAL mesh
CGAL_Mesh convert_mesh_from_Numpy_to_CGAL(py::array_t<double>& V, py::array_t<int>& F)
{
    CGAL_Mesh CGAL_mesh;
    // 获取V, F的信息
    py::buffer_info buf_v = V.request();
    py::buffer_info buf_f = F.request();
    // Validate
    if (buf_v.ndim != 2)
        throw std::runtime_error("Number of dimensions of `V` must be 2");

    if (buf_v.shape[1] != 3)
        throw std::runtime_error("Number of columns in `V` must be 3");

    if (buf_f.ndim != 2)
        throw std::runtime_error("Number of dimensions of `F` must be 2");

    if (buf_f.shape[1] != 3)
        throw std::runtime_error("Number of columns in `F` must be 3");

    auto v = V.unchecked<2>(); // unchecked: can be non - writeable
    auto f = F.unchecked<2>();

    // clear and reserve the mesh
    CGAL_mesh.clear();
    int vn = buf_v.shape[0];    // 顶点个数
    int fn = buf_f.shape[0];    // 面个数
    int e = 0;
    CGAL_mesh.reserve(vn, e, fn);

    //copy the vertices
    double x, y, z;
    for (py::ssize_t i = 0; i < v.shape(0); i++)
    {
        Point p;
        x = v(i, 0);
        y = v(i, 1);
        z = v(i, 2);
        p = Point(x, y, z);
        CGAL_mesh.add_vertex(p);
    }

    // copy the faces
    std::vector <int> vertices;
    for (py::ssize_t i = 0; i < f.shape(0); i++)
    {
        vertices.resize(3);
        vertices[0] = f(i, 0);
        vertices[1] = f(i, 1);
        vertices[2] = f(i, 2);
        CGAL_mesh.add_face(CGAL_Mesh::Vertex_index(vertices[0]),
            CGAL_Mesh::Vertex_index(vertices[1]),
            CGAL_Mesh::Vertex_index(vertices[2]));
    }

    return CGAL_mesh;
}

// 将CGAL mesh转换成Numpy VF
std::pair<py::array_t<double>, py::array_t<int>> convert_mesh_from_CGAL_to_Numpy(CGAL_Mesh& CGAL_mesh)
{
    //申请内存
    py::array_t<double> V = py::array_t<double>(CGAL_mesh.number_of_vertices() * 3);
    py::array_t<int> F = py::array_t<int>(CGAL_mesh.number_of_faces() * 3);
    std::pair<py::array_t<double>, py::array_t<int>> VF(V,F);

    V.resize({ int(CGAL_mesh.number_of_vertices()), 3 });
    F.resize({ int(CGAL_mesh.number_of_faces()), 3 });

    auto v = V.mutable_unchecked<2>();  // mutable_unchecked: can be writeable
    auto f = F.mutable_unchecked<2>();

    int i = 0;
    for (CGAL_Mesh::Vertex_index vd : vertices(CGAL_mesh))
    {
        v(i, 0) = CGAL_mesh.point(vd).x();
        v(i, 1) = CGAL_mesh.point(vd).y();
        v(i, 2) = CGAL_mesh.point(vd).z();
        i++;
    }

    i = 0;
    for (CGAL_Mesh::Face_index fd : faces(CGAL_mesh))
    {
        int j = 0;
        for (CGAL_Mesh::Vertex_index vd : CGAL::vertices_around_face(CGAL_mesh.halfedge(fd), CGAL_mesh))
        {
            f(i, j) = int(vd);
            j++;
        }
        i++;
    }

    return VF;
}

struct halfedge2edge
{
    halfedge2edge(const CGAL_Mesh& m, std::vector<edge_descriptor>& edges)
        : m_mesh(m), m_edges(edges)
    {}
    void operator()(const halfedge_descriptor& h) const
    {
        m_edges.push_back(edge(h, m_mesh));
    }
    const CGAL_Mesh& m_mesh;
    std::vector<edge_descriptor>& m_edges;
};

std::pair<py::array_t<double>, py::array_t<int>> isotropic_remeshing(py::array_t<double>& V, py::array_t<int>& F, double target_edge_length = 1, unsigned int nb_iter = 5)
{
    CGAL_Mesh mesh = convert_mesh_from_Numpy_to_CGAL(V, F);
    std::vector<edge_descriptor> border;
    PMP::border_halfedges(faces(mesh), mesh, boost::make_function_output_iterator(halfedge2edge(mesh, border)));
    PMP::split_long_edges(border, target_edge_length, mesh);
    PMP::isotropic_remeshing(faces(mesh), target_edge_length, mesh,
        CGAL::parameters::number_of_iterations(nb_iter)
        .protect_constraints(true));
    return convert_mesh_from_CGAL_to_Numpy(mesh);
}

// 绑定代码
PYBIND11_MODULE(numpy_cgal, m) 
{
    m.doc() = "The CGAL geometry algorithms which called via the Numpy array";
    m.def("isotropic_remeshing", &isotropic_remeshing, "remeshes a triangular mesh",
        py::arg("V"), py::arg("F"), 
        py::arg("target_edge_length") = 1, py::arg("nb_iter") = 5);
}

这里为了图方便将所有代码全写在了一个源文件里，正常来说应当将绑定代码和绑定对象分开。

四 编译生成和测试

4.1 编译生成pyd文件

在这个示例中，我是直接使用Visual Studio编译生成pyd文件。操作很简单，首先是按照这篇文章：pybind11学习 | VS2022下安装配置在VS中配置好pybind11，然后按照这篇文章：CGAL的安装与在VS中的配置在VS中配置好CGAL。在pybind11和CGAL都配置成功的前提下，生成解决方案即可得到pyd文件。如果电脑上没装Visual Studio，也可以尝试使用CMake进行构建，也是十分简单的，只需在这篇文章：pybind11学习 | 使用CMake构建系统并生成pyd文件的示例基础上在CMakeLists.txt中添加CGAL的库文件和头文件即可。

4.2 Python调用测试

测试代码如下：

import igl
import numpy as np
from CGAL import CGAL_Polygon_mesh_processing
from CGAL.CGAL_Polyhedron_3 import Polyhedron_3
import os.path


def isotropic_remeshing_off(filename, targetedgelength, remeshIter):
    if os.path.isfile(filename + ".off"):
        V, F, _ = igl.read_off(filename + "_iso_remesh.off", False)
        return F, V
    P = Polyhedron_3(filename + ".off")
    flist = []
    for fh in P.facets():
        flist.append(fh)
    CGAL_Polygon_mesh_processing.isotropic_remeshing(flist, targetedgelength, P, remeshIter)
    P.write_to_file(filename + "_iso_remesh.off")
    V, F, _ = igl.read_off(filename + "_iso_remesh.off", False)
    return F, V


def isotropic_remeshing_bindings(V, F, targetedgelength, remeshIter):
    import numpy_cgal
    V, F = numpy_cgal.isotropic_remeshing(V, F, targetedgelength, remeshIter)
    return F, V


if __name__ == "__main__":
    v, f = igl.read_triangle_mesh("test_mesh.off", dtypef = np.float64)
    f_remeshed, v_remeshed = isotropic_remeshing_bindings(v, f, 1, 5)

其中，第一个isotropic_remeshing_off函数是通过文章【CGAL+Python】安装CGAL的Python绑定中提到的绑定加上读写off文件实现的CGAL重新网格化算法调用。第二个isotropic_remeshing_bindings函数是通过调用pybind11生成的Python拓展模块（即本文的方法，numpy_cgal.pyd为上一小节生成的pyd文件）实现的。

调试结果如下：

在这里插入图片描述

可以看到，函数输入为ndarray类型，输出仍然为ndarray类型，且成功重新网格化，测试完毕。

五 总结

本文主要介绍一种在Python代码中调用C++第三方库API的思路。主要目的是抛砖引玉，本文的方法不一定是最好的，仅供大家参考学习。

参考和拓展

[1] CGAL 5.5.1 - Surface Mesh: User Manual

[2] CGAL 5.5.1 - Polygon Mesh Processing: User Manual

[3] pybind11 documentation

[4] pybind11—opencv图像处理(numpy数据交换) - 简书 (jianshu.com)

[5] pybind11-wrapped CGAL (github.com)

[6] cmpute/cgal.py: Pybind11 binding of cgal. Aimed at extending and easy use (github.com)

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docker 创建MySQL 一、简介 Java DataBase Connectivity &#xff0c;是Java程序访问数据库的标准接口 Java访问DB的时候&#xff0c;并不是直接通过TCP连接的&#xff0c;而是通过JDBC接口&#xff0c;而JDBC接口又是通过JDBC驱动来访问的 JDBC是Java标准库自带的&#xff0…
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(HP)next.js入门

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推荐文档&#xff1a;生成<head> - 《next.js v7.0 中文文档》 - 书栈网 BookStack 1&#xff0c;解决的问题 SPA单页面应用的两个问题&#xff1a;首屏加载过慢&#xff0c;不能SEO(搜索引擎抓取&#xff09; 2&#xff0c;它是一个react服务端渲染框架 3&#xff0c;…
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ArcGIS去除黑边方法汇总

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概述 在使用ArcGIS对影像进行应用的时候&#xff0c;如果出现了黑边&#xff0c;除了影响美观之外&#xff0c;进行镶嵌处理也可能会有问题&#xff0c;这里&#xff0c;我们介绍一下几种ArcGIS去除黑边的方法&#xff0c;希望能够对大家有所帮助。 数据来源 教程所使用的实…
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【C++进阶】类型转换

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&#x1f387;C学习历程&#xff1a;入门 博客主页&#xff1a;一起去看日落吗持续分享博主的C学习历程博主的能力有限&#xff0c;出现错误希望大家不吝赐教分享给大家一句我很喜欢的话&#xff1a; 也许你现在做的事情&#xff0c;暂时看不到成果&#xff0c;但不要忘记&…
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蓝桥杯Python练习题8-查找整数

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资源限制   内存限制&#xff1a;256.0MB C/C时间限制&#xff1a;1.0s Java时间限制&#xff1a;3.0s Python时间限制&#xff1a;5.0s 问题描述   给出一个包含n个整数的数列&#xff0c;问整数a在数列中的第一次出现是第几个。 输入格式   第一行包含一个整数n。  …
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欢迎谷歌回归中国，但有前提！李彦宏也发了条朋友圈

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2018年&#xff0c;Google部分功能成功回归中国大陆 周一&#xff0c;人民日报在海外社交媒体平台Twitter和Facebook上刊文&#xff0c;针对谷歌计划以过滤版搜索引擎重返中国大陆的消息回应称&#xff0c;欢迎谷歌重返中国大陆&#xff0c;但前提是必须遵守中国法律。李彦宏在…
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云计算IaaS、PaaS（iPaaS/aPaaS）以及SaaS以及发展趋势

云计算IaaS、PaaS（iPaaS/aPaaS）以及SaaS以及发展趋势

一、云计算IaaS、PaaS以及SaaS架构 云计算涉及了很多产品与技术&#xff0c;表面上看起来的确有点纷繁复杂&#xff0c;但是云计算本身还是有迹可循和有理可依的&#xff0c;下面介绍一套云计算的架构&#xff0c;具体请看图&#xff1a; 上面这个云架构共分为服务和管理这两…
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