PFH特征描述符、对应关系可视化以及ICP配准

news2024/11/29 10:45:09

一、PFH特征描述符可视化

C++

#include <pcl/point_types.h>
#include <pcl/point_cloud.h>
#include <pcl/search/kdtree.h>
#include <pcl/io/pcd_io.h>
#include <pcl/features/normal_3d_omp.h>//使用OMP需要添加的头文件
#include <boost/thread/thread.hpp>
#include <pcl/features/3dsc.h>
#include <pcl/visualization/pcl_plotter.h>// 直方图的可视化 
#include <pcl/visualization/histogram_visualizer.h>
#include <pcl/kdtree/kdtree_flann.h>
#include <pcl/features/pfh.h>
using namespace std;
int main()
{
	//------------------加载点云数据-----------------
	pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>::Ptr cloud(new pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>);
	if (pcl::io::loadPCDFile<pcl::PointXYZ>("pcd/pig_view1.pcd", *cloud) == -1)//需使用绝对路径
	{
		PCL_ERROR("Could not read file\n");
	}

	//--------------------计算法线------------------
	pcl::NormalEstimationOMP<pcl::PointXYZ, pcl::Normal> n;//OMP加速
	pcl::PointCloud<pcl::Normal>::Ptr normals(new pcl::PointCloud<pcl::Normal>);
	//建立kdtree来进行近邻点集搜索
	pcl::search::KdTree<pcl::PointXYZ>::Ptr tree(new pcl::search::KdTree<pcl::PointXYZ>);
	n.setNumberOfThreads(8);//设置openMP的线程数
	n.setInputCloud(cloud);
	n.setSearchMethod(tree);
	n.setKSearch(20);
	n.compute(*normals);//开始进行法向计算

	// ------------------3DSC图像计算------------------
	pcl::PFHEstimation<pcl::PointXYZ, pcl::Normal, pcl::PFHSignature125> pfh;
	pfh.setInputCloud(cloud);
	pfh.setInputNormals(normals);
	pfh.setSearchMethod(tree);
	pcl::PointCloud<pcl::PFHSignature125>::Ptr pfh_images(new pcl::PointCloud<pcl::PFHSignature125>());
	pfh.setRadiusSearch(15);
	pfh.compute(*pfh_images);
	cout << "PFH图像计算计算完成" << endl;

	// 显示和检索第一点的自旋图像描述符向量。
	pcl::PFHSignature125 first_descriptor = pfh_images->points[0];
	cout << first_descriptor << endl;


	pcl::visualization::PCLPlotter plotter;
	plotter.addFeatureHistogram(*pfh_images, 200); //设置的横坐标长度，该值越大，则显示的越细致
	plotter.setWindowName("3DSC Image");
	plotter.plot();

	return 0;
}

关键代码解析：

	pcl::PFHEstimation<pcl::PointXYZ, pcl::Normal, pcl::PFHSignature125> pfh;
	pfh.setInputCloud(cloud);
	pfh.setInputNormals(normals);
	pfh.setSearchMethod(tree);
	pcl::PointCloud<pcl::PFHSignature125>::Ptr pfh_images(new pcl::PointCloud<pcl::PFHSignature125>());
	pfh.setRadiusSearch(15);
	pfh.compute(*pfh_images);

  1. pcl::PFHEstimation<pcl::PointXYZ, pcl::Normal, pcl::PFHSignature125> pfh;

    • 这一行定义了一个PFH特征估计器对象pfh，并指定了输入点云类型为pcl::PointXYZ，输入法向量类型为pcl::Normal，以及输出特征类型为pcl::PFHSignature125。

  2. pfh.setInputCloud(cloud);

    • 将点云数据设置为PFH估计器的输入。cloud是一个指向pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>类型的指针，表示原始点云数据。

  3. pfh.setInputNormals(normals);

    • 将法向量数据设置为PFH估计器的输入。normals是一个指向pcl::PointCloud<pcl::Normal>类型的指针，表示点云中每个点的法向量数据。

  4. pfh.setSearchMethod(tree);

    • 设置搜索方法。tree是一个用于加速邻域搜索的数据结构，例如kd-tree或octree。这个参数可以根据点云的大小和分布来调整，以获得更好的性能。

  5. pcl::PointCloud<pcl::PFHSignature125>::Ptr pfh_images(new pcl::PointCloud<pcl::PFHSignature125>());

    • 创建一个指向pcl::PointCloud<pcl::PFHSignature125>类型的智能指针pfh_images，用于存储计算得到的PFH特征。

  6. pfh.setRadiusSearch(15);

    • 设置用于计算PFH特征的邻域搜索半径。较小的半径会考虑较近的邻居点，而较大的半径会考虑更远的邻居点。这个参数需要根据点云的密度和特征的分布来调整。

  7. pfh.compute(*pfh_images);

    • 运行PFH特征的计算过程。该方法会根据输入的点云和法向量数据以及设置的搜索参数来计算每个点的PFH特征，并将结果存储在pfh_images中。

  8. cout << "PFH图像计算计算完成" << endl;

    • 打印消息，指示PFH特征计算完成。

  9. pcl::PFHSignature125 first_descriptor = pfh_images->points[0];

    • 提取第一个点的PFH特征描述符。这里假设点云中至少有一个点。

  10. cout << first_descriptor << endl;

    • 打印第一个点的PFH特征描述符。

  11. pcl::visualization::PCLPlotter plotter;

    • 创建一个PCL绘图器对象，用于可视化PFH特征。

  12. plotter.addFeatureHistogram(*pfh_images, 200);

    • 向绘图器中添加PFH特征的直方图。第二个参数指定了横坐标的长度，该值越大，显示的越细致。

  13. plotter.setWindowName("3DSC Image");

    • 设置绘图窗口的名称。

  14. plotter.plot();

    • 显示绘图器中的图像。

总的来说，这段代码的作用是计算并可视化点云的PFH特征。参数的设置会直接影响特征的计算和可视化效果，因此需要根据具体的数据和需求进行调整。

结果：

二、PFH对应关系可视化

C++

#include <pcl/point_types.h>
#include <pcl/point_cloud.h>
#include <pcl/io/pcd_io.h>
#include <pcl/features/normal_3d_omp.h>
#include <pcl/registration/correspondence_estimation.h>
#include <boost/thread/thread.hpp>
#include <pcl/visualization/pcl_visualizer.h>
#include <pcl/registration/transformation_estimation_svd.h> 
#include <pcl/keypoints/sift_keypoint.h>
#include <pcl/features/pfh.h>

using namespace std;

namespace pcl
{
    template<>
    struct SIFTKeypointFieldSelector<PointXYZ>
    {
        inline float
            operator () (const PointXYZ& p) const
        {
            return p.z;
        }

    };
}

typedef pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ> pointcloud;
typedef pcl::PointCloud<pcl::Normal> pointnormal;
typedef pcl::PointCloud<pcl::PFHSignature125> pfhFeature;

pfhFeature::Ptr compute_pfh_feature(pointcloud::Ptr input_cloud, pcl::search::KdTree<pcl::PointXYZ>::Ptr tree)
{

    pointnormal::Ptr normals(new pointnormal);
    pcl::NormalEstimationOMP<pcl::PointXYZ, pcl::Normal> n;
    n.setInputCloud(input_cloud);
    n.setNumberOfThreads(5);
    n.setSearchMethod(tree);
    n.setKSearch(10);
    n.compute(*normals);


    pcl::PFHEstimation<pcl::PointXYZ, pcl::Normal, pcl::PFHSignature125> pfh;
    pfh.setInputCloud(input_cloud);
    pfh.setInputNormals(normals);
    pfh.setSearchMethod(tree);
    pcl::PointCloud<pcl::PFHSignature125>::Ptr pfh_fe_ptr(new pcl::PointCloud<pcl::PFHSignature125>());
    pfh.setRadiusSearch(10);
    pfh.compute(*pfh_fe_ptr); 

    return pfh_fe_ptr;



}

void extract_keypoint(pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>::Ptr& cloud, pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>::Ptr& keypoint)
{


    pcl::PointCloud<pcl::PointWithScale> result;


    const float min_scale = 5.f;                 
    const int n_octaves = 3;                            
    const int n_scales_per_octave = 15;       
    const float min_contrast = 0.01f;       
    pcl::SIFTKeypoint<pcl::PointXYZ, pcl::PointWithScale> sift;

    sift.setInputCloud(cloud);            
    pcl::search::KdTree<pcl::PointXYZ>::Ptr tree(new pcl::search::KdTree<pcl::PointXYZ>());
    sift.setSearchMethod(tree);               
    sift.setScales(min_scale, n_octaves, n_scales_per_octave);
    sift.setMinimumContrast(min_contrast);    
    sift.compute(result);                     
    cout << "Extracted " << result.size() << " keypoints" << endl;
    copyPointCloud(result, *keypoint);

}

int main(int argc, char** argv)
{
    pointcloud::Ptr source_cloud(new pointcloud);
    pointcloud::Ptr target_cloud(new pointcloud);
    pcl::io::loadPCDFile<pcl::PointXYZ>("pcd/pig_view1.pcd", *source_cloud);
    pcl::io::loadPCDFile<pcl::PointXYZ>("pcd/pig_view2.pcd", *target_cloud);

    pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>::Ptr s_k(new pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>);
    pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>::Ptr t_k(new pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>);
    extract_keypoint(source_cloud, s_k);
    extract_keypoint(target_cloud, t_k);


    pcl::search::KdTree<pcl::PointXYZ>::Ptr tree(new pcl::search::KdTree<pcl::PointXYZ>());
    pfhFeature::Ptr source_pfh = compute_pfh_feature(s_k, tree);
    pfhFeature::Ptr target_pfh = compute_pfh_feature(t_k, tree);
    pcl::registration::CorrespondenceEstimation<pcl::PFHSignature125, pcl::PFHSignature125> crude_cor_est;
    boost::shared_ptr<pcl::Correspondences> cru_correspondences(new pcl::Correspondences);
    crude_cor_est.setInputSource(source_pfh);
    crude_cor_est.setInputTarget(target_pfh);
    crude_cor_est.determineCorrespondences(*cru_correspondences);
    Eigen::Matrix4f Transform = Eigen::Matrix4f::Identity();
    pcl::registration::TransformationEstimationSVD<pcl::PointXYZ, pcl::PointXYZ, float>::Ptr trans(new pcl::registration::TransformationEstimationSVD<pcl::PointXYZ, pcl::PointXYZ, float>);

    trans->estimateRigidTransformation(*source_cloud, *target_cloud, *cru_correspondences, Transform);



    boost::shared_ptr<pcl::visualization::PCLVisualizer>viewer(new pcl::visualization::PCLVisualizer("v1"));
    viewer->setBackgroundColor(0, 0, 0);
    pcl::visualization::PointCloudColorHandlerCustom<pcl::PointXYZ>target_color(target_cloud, 255, 0, 0);
    viewer->addPointCloud<pcl::PointXYZ>(target_cloud, target_color, "target cloud");
    viewer->setPointCloudRenderingProperties(pcl::visualization::PCL_VISUALIZER_POINT_SIZE, 2, "target cloud");
    pcl::visualization::PointCloudColorHandlerCustom<pcl::PointXYZ>input_color(source_cloud, 0, 255, 0);
    viewer->addPointCloud<pcl::PointXYZ>(source_cloud, input_color, "input cloud");
    viewer->setPointCloudRenderingProperties(pcl::visualization::PCL_VISUALIZER_POINT_SIZE, 2, "input cloud");
    viewer->addCorrespondences<pcl::PointXYZ>(s_k, t_k, *cru_correspondences, "correspondence");
    //viewer->initCameraParameters();
    while (!viewer->wasStopped())
    {
        viewer->spinOnce(100);
        boost::this_thread::sleep(boost::posix_time::microseconds(1000));
    }


    return 0;
}

关键代码解析：

我之前在SIFT 3D关键点检测以及SAC-IA粗配准-CSDN博客

和Spin Image自旋图像描述符可视化以及ICP配准-CSDN博客以及本章第一部分已经解释了大部分函数，这里就不赘述了

结果：

三、PFH结合ICP配准 

C++

#include <pcl/io/pcd_io.h>
#include <pcl/point_types.h>
#include <pcl/features/normal_3d_omp.h>
#include <pcl/registration/icp.h>
#include <pcl/visualization/pcl_visualizer.h>
#include <boost/thread/thread.hpp>
#include <pcl/registration/ia_ransac.h>
#include <pcl/visualization/pcl_plotter.h>
#include <pcl/features/pfh.h>
#include <pcl/keypoints/sift_keypoint.h>
typedef pcl::PointXYZ PointT;
typedef pcl::PointCloud<PointT> PointCloud;
typedef pcl::PFHSignature125 PFHT;
typedef pcl::PointCloud<PFHT> PointCloudPFH;
typedef pcl::search::KdTree<PointT> Tree;

namespace pcl
{
    template<>
    struct SIFTKeypointFieldSelector<PointXYZ>
    {
        inline float
            operator () (const PointXYZ& p) const
        {
            return p.z;
        }

    };
}
// 关键点提取
void extract_keypoint(PointCloud::Ptr& cloud, PointCloud::Ptr& keypoint, Tree::Ptr& tree)
{
    pcl::PointCloud<pcl::PointWithScale> result;
    const float min_scale = 5.f;                 
    const int n_octaves = 3;                        
    const int n_scales_per_octave = 15;    
    const float min_contrast = 0.01f;           
    pcl::SIFTKeypoint<pcl::PointXYZ, pcl::PointWithScale> sift;
    sift.setInputCloud(cloud);            
    sift.setSearchMethod(tree);               
    sift.setScales(min_scale, n_octaves, n_scales_per_octave);
    sift.setMinimumContrast(min_contrast);    
    sift.compute(result);                    
    copyPointCloud(result, *keypoint);
}
// 法线计算和 计算特征点的Spinimage描述子
void computeKeyPointsPFH(PointCloud::Ptr& cloud_in, PointCloud::Ptr& key_cloud, PointCloudPFH::Ptr& dsc, Tree::Ptr& tree)
{
    pcl::NormalEstimationOMP<PointT, pcl::Normal> n;//OMP加速
    pcl::PointCloud<pcl::Normal>::Ptr normals(new pcl::PointCloud<pcl::Normal>);
    n.setNumberOfThreads(6);//设置openMP的线程数
    n.setInputCloud(key_cloud);
    n.setSearchSurface(cloud_in);
    n.setSearchMethod(tree);
    //n.setKSearch(10);
    n.setRadiusSearch(0.3);
    n.compute(*normals);

    pcl::PFHEstimation<pcl::PointXYZ, pcl::Normal, pcl::PFHSignature125> pfh;
    pfh.setInputCloud(key_cloud);
    pfh.setInputNormals(normals);
    pfh.setSearchMethod(tree);
    pcl::PointCloud<pcl::PFHSignature125>::Ptr pfh_fe_ptr(new pcl::PointCloud<pcl::PFHSignature125>());
    pfh.setRadiusSearch(10);
    pfh.compute(*dsc);

}



// 点云可视化
void visualize_pcd(PointCloud::Ptr icp_result, PointCloud::Ptr cloud_target)
{
    //创建初始化目标
    pcl::visualization::PCLVisualizer viewer("registration Viewer");
    pcl::visualization::PointCloudColorHandlerCustom<PointT> final_h(icp_result, 0, 255, 0);
    pcl::visualization::PointCloudColorHandlerCustom<PointT> tgt_h(cloud_target, 255, 0, 0);
    viewer.setBackgroundColor(0, 0, 0);
    viewer.addPointCloud(cloud_target, tgt_h, "tgt cloud");
    viewer.addPointCloud(icp_result, final_h, "final cloud");

    while (!viewer.wasStopped())
    {
        viewer.spinOnce(100);
        boost::this_thread::sleep(boost::posix_time::microseconds(100000));
    }
}


int main()
{
    // 加载源点云和目标点云
    PointCloud::Ptr cloud(new PointCloud);
    PointCloud::Ptr cloud_target(new PointCloud);
    if (pcl::io::loadPCDFile<pcl::PointXYZ>("pcd/pig_view1.pcd", *cloud) == -1)
    {
        PCL_ERROR("加载点云失败\n");
    }
    if (pcl::io::loadPCDFile<pcl::PointXYZ>("pcd/pig_view2.pcd", *cloud_target) == -1)
    {
        PCL_ERROR("加载点云失败\n");
    }
    visualize_pcd(cloud, cloud_target);
    //关键点
    pcl::PointCloud<PointT>::Ptr keypoints1(new pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>);
    pcl::PointCloud<PointT>::Ptr keypoints2(new pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>);
    Tree::Ptr tree(new Tree);

    extract_keypoint(cloud, keypoints1, tree);
    extract_keypoint(cloud_target, keypoints2, tree);
    cout << "SIFT 3D完成！" << endl;
    cout << "cloud的关键点的个数：" << keypoints1->size() << endl;
    cout << "cloud_target的关键点的个数：" << keypoints2->size() << endl;



    // 使用SpinImage描述符计算特征
    PointCloudPFH::Ptr source_features(new PointCloudPFH);
    PointCloudPFH::Ptr target_features(new PointCloudPFH);
    computeKeyPointsPFH(cloud, keypoints1, source_features, tree);
    computeKeyPointsPFH(cloud_target, keypoints2, target_features, tree);
    cout << "PFH完成！" << endl;


    //SAC配准
    pcl::SampleConsensusInitialAlignment<PointT, PointT, PFHT> scia;
    scia.setInputSource(keypoints1);
    scia.setInputTarget(keypoints2);
    scia.setSourceFeatures(source_features);
    scia.setTargetFeatures(target_features);
    scia.setMinSampleDistance(7);     // 设置样本之间的最小距离
    scia.setNumberOfSamples(100);       // 设置每次迭代计算中使用的样本数量（可省）,可节省时间
    scia.setCorrespondenceRandomness(6);// 在选择随机特征对应时，设置要使用的邻居的数量;
    PointCloud::Ptr sac_result(new PointCloud);
    scia.align(*sac_result);
    Eigen::Matrix4f sac_trans;
    sac_trans = scia.getFinalTransformation();
    cout << "SAC配准完成！" << endl;

    //icp配准
    PointCloud::Ptr icp_result(new PointCloud);
    pcl::IterativeClosestPoint<PointT, PointT> icp;
    icp.setInputSource(keypoints1);
    icp.setInputTarget(keypoints2);
    icp.setMaxCorrespondenceDistance(20);
    icp.setMaximumIterations(35);        // 最大迭代次数
    icp.setTransformationEpsilon(1e-10); // 两次变化矩阵之间的差值
    icp.setEuclideanFitnessEpsilon(0.01);// 均方误差
    icp.align(*icp_result, sac_trans);
    cout << "ICP配准完成！" << endl;

    // 输出配准结果
    std::cout << "ICP converged: " << icp.hasConverged() << std::endl;
    std::cout << "Transformation matrix:\n" << icp.getFinalTransformation() << std::endl;
    Eigen::Matrix4f icp_trans;
    icp_trans = icp.getFinalTransformation();
    cout << icp_trans << endl;
    使用创建的变换对未过滤的输入点云进行变换
    pcl::transformPointCloud(*cloud, *icp_result, icp_trans);

    visualize_pcd(icp_result, cloud_target);

    return 0;
}

关键代码解析：

我之前在SIFT 3D关键点检测以及SAC-IA粗配准-CSDN博客

和Spin Image自旋图像描述符可视化以及ICP配准-CSDN博客以及本章第一部分已经解释了大部分函数，这里就不赘述了

结果：

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差分信号环路测试 1 概述 LVDS&#xff08;Low Voltage Differential Signalin&#xff09;是一种低振幅差分信号技术。它使用幅度非常低的信号&#xff08;约350mV&#xff09;通过一对差分PCB走线或平衡电缆传输数据。大部分高速数据传输中&#xff0c;都会用到LVDS传输。 …
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多维时序 | Matlab实现基于VMD-DBO-LSTM、VMD-LSTM、LSTM的多变量时间序列预测

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06 分频器设计

06 分频器设计

分频器简介 实现分频一般有两种方法&#xff0c;一种方法是直接使用 PLL 进行分频&#xff0c;比如在 FPGA 或者 ASIC 设计中&#xff0c;都可以直接使用 PLL 进行分频。但是这种分频有时候受限于 PLL 本身的特性&#xff0c;无法得到频率很低的时钟信号&#xff0c;比如输入 …
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LeetCode 热题 100 Day01

LeetCode 热题 100 Day01

哈希模块 哈希结构&#xff1a; 哈希结构&#xff0c;即hash table&#xff0c;哈希表|散列表结构。 图摘自《代码随想录》 哈希表本质上表示的元素和索引的一种映射关系。 若查找某个数组中第n个元素&#xff0c;有两种方法&#xff1a; 1.从头遍历&#xff0c;复杂度&#xf…
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【Node-RED】安全登陆时，账号密码设置

【Node-RED】安全登陆时，账号密码设置

【Node-RED】安全登陆时&#xff0c;账号密码设置 前言实现步骤密码生成setting.js 文件修改 安全权限 前言 Node-RED 在初始下载完成时&#xff0c;登录是无账号密码的。基于安全性考虑&#xff0c;本期博文介绍在安全登陆时&#xff0c;如何进行账号密码设置。当然&#xff…
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spring boot自动装配及自动装配条件判断

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第一步需要在pom.xml文件指定需要导入的坐标 要是没有自动提示需要检查maven有没有 实现代码 /*springboot第三方自动配置实现方法 * 什么是自动配置 自动配置就是springboot启动自动加载的类不需要在手动的控制反转自动的加入bean中 * * *//*第一种方案包扫描 不推荐因为繁琐…
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