点云采样方法

1.体素降采样

体素(Voxel):将三维空间划分成一个个立体的方格,每个方格就叫一个体素。
在这里插入图片描述
在每个体素中可能存在几个点,也可能没有点。降采样的思路为:检查每个体素中是否有点存在,若有,则对这些点取平均或加权平均得到一个点,以此来替代原来网格中所有的点。
显然,网格选取越大则采样之后的点云越少,处理速度变快,但会对原先点云过度模糊,网格选取越小,则作用相反。通常,这个采样点可以是体素中所有点坐标的平均值(质心),也可以是中心点或者离中心点最近的点。

  • 效率高
  • 采样点分布比较均匀
  • 可以通过控制体素大小间接控制采样点的距离(采样后点云的稀疏程度) 但是不能精确控制采样点个数
  • 采集到的点云数量不可控

核心代码如下:

 pcl::VoxelGrid<pcl::PointXYZ> sor;    //创建体素网格采样处理对象
 sor.setInputCloud(cloud);             //设置输入点云
 sor.setLeafSize(0.01f, 0.01f, 0.01f); //设置体素大小,单位:m
 sor.filter(*cloud_filtered);          //进行下采样

2.均匀采样

均匀采样的原理类似于体素化网格采样方法,同样是将点云空间进行划分,不过是以半径=r的球体,在当前球体所有点中选择距离球体中心最近的点替代所有点,注意,此时点的位置是不发生移动的。球体半径选取越大则采样之后的点云越少,处理速度变快,但会对原先点云过度模糊,网格选取越小,则作用相反。

均匀采样的特点是采样点分布均匀,不会移动点云点,准确度较高,但时间复杂度提升。

核心代码如下:

pcl::UniformSampling<pcl::PointXYZ> form;   // 创建均匀采样对象
form.setInputCloud(cloud);                  //
### 改进项点云采样的策略 #### 优化目标函数 为了提高点云采样方法的效果,在设计损失函数时可以引入额外的约束条件来保持原始数据的关键特性。例如,通过最小化重建误差的同时最大化不同样本间的距离度量,从而确保生成的点分布更加均匀[^1]。 #### 多尺度处理 采用多层次结构分析能够捕捉到局部细节与整形态之间的关系。具做法是在多个分辨率级别上执行下采样操作,并利用这些层次的信息指导最终的选择过程。这种方法有助于保留重要的几何特征而不丢失全局一致性[^2]。 #### 结合外部信息源 借助其他模态的数据作为辅助输入可以帮助改善单纯依赖三维坐标所带来的局限性。比如先由文本描述合成视角图像再据此推断出对应的立位置;或者融合来自RGB-D相机的颜色纹理等属性共同决定哪些部分应该被优先选取。 #### 自适应调整机制 根据不同应用场景的需求动态改变参数设置也是提升效率的有效途径之一。对于实时性强的任务来说,可适当放宽精度要求换取更快的速度表现;反之则追求极致准确性即使代价更高也值得考虑。此外还可以根据当前设备资源状况灵活切换算法版本以达到最佳平衡状态。 ```python def adaptive_sampling(points, target_num_points): """自适应调整采样数量""" ratio = len(points) / float(target_num_points) if ratio > 2: # 当点数远超需求时快速减少至近似规模 downsampled = farthest_point_sample(points, int(len(points)/2)) elif ratio < 0.8: # 若不足则补充新生成随机点直至满足数目 extra = generate_random_points_around_existing Ones(points, target_num_points-len(points)) downsampled = np.concatenate((points,extra), axis=0) else: downsampled = points final_selection = furthest_first_traversal(downsampled, target_num_points) return final_selection ```
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