计算几何模板收藏。

1.向量的叉积

向量a=(x1,y1),b=(x2,y2);
   
     向量的叉积|a×b|=x1*y2-x2*y1;
   
   (1)当|a×b|>0时,b在a的逆时针方向,当a×b=0时,b与a共线,当a×b<0时,b在a的顺时针方向。

(2)|a×b|=|a| |b|sin<a,b>,三角形ABC,边向量a=AB,b=AC,面积S=1/2*|a×b|=1/2*(x1*y2-x2*y1)

(3) 两个向量叉积为0 代表向量 平行。 两个向量 点积为0  代表垂直


两条直线的夹角


/* 两直线的夹角,返回角度值,非弧度值 */
double IncludedAngle(Line m, Line n)
{
	double v = m.A * n.A + m.B * n.B;
	if (v == 0)	// 两直线垂直
		return 90;
	
	// 如果v=0, 则t为无穷大(输出则为inf. =infinity)
	// atan仍有返回值,为90度,并没有出错。
	double t = (m.A*n.B-n.A*m.B) / v;
	if (t < 0)
		t = 0 - t;
	
	return atan(t) * 180 / PI;
}


(1)向量积判断线段相交


struct node{
    double x1,y1,x2,y2;
}e[maxn],f[maxn];
double cross(double x1,double y1,double x2,double y2)
{
    return x1*y2-x2*y1;
}
int find(node a,node b) //判断是否相交
{
    double c[4];
    c[0]=cross(a.x2-a.x1,a.y2-a.y1,b.x1-a.x1,b.y1-a.y1);
    c[1]=cross(a.x2-a.x1,a.y2-a.y1,b.x2-a.x1,b.y2-a.y1);
    c[2]=cross(b.x2-b.x1,b.y2-b.y1,a.x1-b.x1,a.y1-b.y1);
    c[3]=cross(b.x2-b.x1,b.y2-b.y1,a.x2-b.x1,a.y2-b.y1);
    if(c[0]*c[1]<=0&&c[2]*c[3]<=0)return 1;
    return 0;
}

2.重心

(1)三角形重心:x=(x0+x1+x3)/3,y=(y0+y1+y2)/3;

(2)质量集中在顶点上。n个顶点坐标为(xi,yi),质量为mi,则重心

  X = ∑( xi×mi ) / ∑mi
  Y = ∑( yi×mi ) / ∑mi
  特殊地,若每个点的质量相同,则
  X = ∑xi / n
  Y = ∑yi / n

       (3)已知一多边形没有边相交,质量分布均匀。顺序给出多边形的顶点坐标,求其重心。

    将n+2多变形分成n个三角形,总面积为S,分重心为(xi,yi),分面积为si,则重心为X=(∑si*xi)/S,Y=(∑si*yi)/S;(凹多边形和凸多边形,均适用)

  这里的si=0.5*(a×b),有正负值,表示边是按顺时针还是逆时针,用于求凹多边形时加减多余部分。



平面几何 模板

#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cmath>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <map>
#include <set>
#include <queue>
using namespace std;
//基础点和向量运算
struct Point{
    double x,y;
    Point(double x=0,double y=0):x(x),y(y){}
};
typedef Point Vector;
Vector operator + (Vector A,Vector B){return Vector(A.x+B.x,A.y+B.y);}
Vector operator - (Vector A,Vector B){return Vector(A.x-B.x,A.y-B.y);}
Vector operator * (Vector A,double p){return Vector(A.x*p,A.y*p);}
Vector operator / (Vector A,double p){return Vector(A.x/p,A.y/p);}
bool operator <(const Point& a, const Point& b)
{
    return a.x<b.x||(a.x==b.x&&a.y<b.y);
}
const double eps=1e-10;
int dcmp(double x)//判断正负,或者等于0
{
    if(fabs(x)<eps)return 0;else return x<0?-1:1;
}
bool operator==(const Point& a,const Point &b)
{
    return dcmp(a.x-b.x)==0&&dcmp(a.y-b.y)==0;
}
double Dot(Vector A, Vector B){return A.x*B.x+A.y*B.y;}//点积
double Length(Vector A){return sqrt(Dot(A,A));}//OA长
double Angle(Vector A,Vector B){return acos(Dot(A,B)/Length(A)/Length(B));}//OA和OB的夹角
double Cross(Vector A,Vector B){return A.x*B.y-A.y*B.x;}//叉积
double Area2(Point A,Point B,Point C){return Cross(B-A,C-A);}//三角形面积
Vector Rotate(Vector A,double rad)//rad为弧度,旋转rad度
{
    return Vector(A.x*cos(rad)-A.y*sin(rad),A.x*sin(rad)+A.y*cos(rad));
}
Vector Normal(Vector A)//A的单位法向量,A不能为零向量
{
    double L=Length(A);
    return Vector(-A.y/L,A.x/L);
}

//点和直线
//P+tv表示一条直线,P为点,tv为方向向量
Point GetLineIntersection(Point P,Vector v,Point Q,Vector w)//求直线交点,确保存在交点,即Cross(v,w)非0
{
    Vector u=P-Q;
    double t=Cross(w,u)/Cross(v,w);
    return P+v*t;
}
double DistanceToLine(Point P,Point A,Point B)//P点到直线AB的距离
{
    Vector v1=B-A,v2=P-A;
    return fabs(Cross(v1,v2)/Length(v1));
}
double DistanceToSegment(Point P,Point A,Point B)//点P到线段AB的距离
{
    if(A==B)return Length(P-A);
    Vector v1=B-A,v2=P-A,v3=P-B;
    if(dcmp(Dot(v1,v2))<0)return Length(v2);
    else if(dcmp(Dot(v1,v3))>0)return Length(v3);
    else return fabs(Cross(v1,v2)/Length(v1));
}
Point GetLineProjection(Point P,Point A,Point B)//点在直线上的投影
{
    Vector v=B-A;
    return A+v*(Dot(v,P-A)/Dot(v,v));
}
bool SegmentProperIntersection(Point a1,Point a2,Point b1,Point b2)//判断线段相交,不在端点相交
{
    double c1=Cross(a2-a1,b1-a1),c2=Cross(a2-a1,b2-a1),c3=Cross(b2-b1,a1-b1),c4=Cross(b2-b1,a2-b1);
    return dcmp(c1)*dcmp(c2)<0&&dcmp(c3)*dcmp(c4)<0;
}
bool OnSegment(Point p,Point a1,Point a2)//判断点是否在线段上(不包括端点)
{
    return dcmp(Cross(a1-p,a2-p))==0&&dcmp(Dot(a1-p,a2-p))<0;
}

//多边型
double ConvexPolygonArea(Point* p,int n)//多边形面积,,点按顺序
{
    double area=0;
    for(int i=1;i<n-1;i++)
        area+=Cross(p[i]-p[0],p[i+1]-p[0]);
    return area/2;
}



int main()
{

}

圆:

const double PI=atan(1.0)*4;
//圆
struct Circle{//定义圆
    Point c;
    double r;
    Circle(Point c,double r):c(c),r(r){}
    Point point(double a){//根据圆心角计算圆上的坐标
        return Point(c.x+cos(a)*r,c.y+sin(a)*r);
    }
};
struct Line{//定义线
    Point p,v;
    Line(Point p,Point v):p(p),v(v){}
    Point point(double a){
        return p+(v-p)*a;
    }
};
int getLineCircleIntersection(Line L,Circle C,double &t1,double &t2,vector<Point> &sol)//圆与线相交
{
    double a=L.v.x,b=L.p.x-C.c.x,c=L.v.y,d=L.p.y-C.c.y;
    double e=a*a+c*c,f=2*(a*b+c*d),g=b*b+d*d-C.r*C.r;
    double delta=f*f-4*e*g;
    if(dcmp(delta)<0)return 0;
    if(dcmp(delta)==0)
    {
        t1=t2=-f/(2*e);
        sol.push_back(L.point(t1));
        return 1;
    }
    t1=(-f-sqrt(delta))/(2*e);sol.push_back(L.point(t1));
    t2=(-f+sqrt(delta))/(2*e);sol.push_back(L.point(t2));
    return 2;
}
double angle(Vector v){return atan2(v.y,v.x);}//计算向量极角
int getCircleCircleIntersection(Circle C1,Circle C2,vector<Point> &sol)//圆与圆相交
{
    double d=Length(C1.c-C2.c);
    if(dcmp(d)==0)
    {
        if(dcmp(C1.r-C2.r)==0)return -1;//两圆重合
        return 0;
    }
    if(dcmp(C1.r+C2.r-d)<0)return 0;
    if(dcmp(fabs(C1.r-C2.r)-d)>0)return 0;

    double a=angle(C2.c-C1.c);  //向量C1C2的极角
    double da=acos((C1.r*C1.r+d*d-C2.r*C2.r)/(2*C1.r*d));
    //C1C2到C1P1的角
    Point p1=C1.point(a-da),p2=C1.point(a+da);

    sol.push_back(p1);
    if(p1==p2)return 1;
    sol.push_back(p2);
    return 2;
}
int getTangents(Point p,Circle C,Vector *v)//过定点作圆的切线
{
    Vector u=C.c-p;
    double dist=Length(u);
    if(dist<C.r)return 0;
    else if(dcmp(dist-C.r)==0)
    {
        v[0]=Rotate(u,PI/2);
        return 1;
    }
    else
    {
        double ang=asin(C.r/dist);
        v[0]=Rotate(u,-ang);
        v[1]=Rotate(u,+ang);
        return 2;
    }
}
//求两圆的切线
//返回切线的条数,-1表示无穷条切线
//a[i]和b[i]分别是第i条切线在圆A和圆B上的切点
int getTangents(Circle A,Circle B,Point *a,Point *b)
{
    int cnt=0;
    if(A.r<B.r){swap(A,B);swap(a,b);}
    double d2=(A.c.x-B.c.x)*(A.c.x-B.c.x)+(A.c.y-B.c.y)*(A.c.y-B.c.y);
    double rdiff=A.r-B.r;
    double rsum=A.r+B.r;
    if(dcmp(d2-rdiff*rdiff)<0)return 0;//内含

    double base=atan2(B.c.y-A.c.y,B.c.x-A.c.x);
    if(d2==0&&A.r==B.r)return -1;//重合
    if(dcmp(d2-rdiff*rdiff)==0)         //内切
    {
        a[cnt]==A.point(base);b[cnt]=B.point(base);cnt++;
        return 1;
    }
    //外公切线
    double ang=acos((A.r-B.r)/sqrt(d2));
    a[cnt]=A.point(base+ang);b[cnt]=B.point(base+ang);cnt++;
    a[cnt]=A.point(base-ang);b[cnt]=B.point(base-ang);cnt++;
    if(dcmp(d2-rsum*rsum)==0)
    {
        a[cnt]=A.point(base);b[cnt]=B.point(PI+base);cnt++;
    }
    else if(dcmp(d2-rsum*rsum)>0)
    {
        double ang=acos(A.r+B.r)/sqrt(d2);
        a[cnt]=A.point(base+ang);b[cnt]=B.point(PI+base+ang);cnt++;
        a[cnt]=A.point(base-ang);b[cnt]=B.point(PI+base-ang);cnt++;
    }
    return cnt;
}
//三角形外接圆
Circle CircumscribedCircle(Point p1,Point p2,Point p3)
{
    double Bx=p2.x-p1.x,By=p2.y-p1.y;
    double Cx=p3.x-p1.x,Cy=p3.y-p1.y;
    double D=2*(Bx*Cy-By*Cx);
    double cx=(Cy*(Bx*Bx+By*By)-By*(Cx+Cx+Cy*Cy))/D+p1.x;
    double cy=(Bx*(Cx*Cx+Cy*Cy)-Cx*(Bx*Bx+By*By))/D+p1.y;
    Point p=Point(cx,cy);
    return Circle(p,Length(p1-p));
}
//三角形内切圆
Circle InscribedCircle(Point p1,Point p2,Point p3)
{
    double a=Length(p2-p3);
    double b=Length(p3-p1);
    double c=Length(p1-p2);
    Point p=(p1*a+p2*b+p3*c)/(a+b+c);
    return Circle(p,DistanceToLine(p,p1,p2));
}

int ConvexHull(Point *p,Point *ch,int n)//求凸包
{
    sort(p,p+n);
    int i,m=0,k;
    for(i=0;i<n;i++)
    {
        while(m>1&&Cross(ch[m-1]-ch[m-2],p[i]-ch[m-2])<=0)m--;
        ch[m++]=p[i];
    }
    k=m;
    for(i=n-2;i>=0;i--)
    {
        while(m>k&&Cross(ch[m-1]-ch[m-2],p[i]-ch[m-2])<=0)m--;
        ch[m++]=p[i];
    }
    if(n>1)m--;
    return m;
}


立体几何


#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cmath>
#include <cstring>
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <map>
#include <set>
#include <queue>
using namespace std;

const double pi=atan(1.0)*4;
const double r=6371009;
const double eps=1e-10;

struct Point3{//定义三维点
    double x,y,z;
    Point3(double x=0,double y=0,double z=0):x(x),y(y),z(z){}
};
typedef Point3 Vector3;

Vector3 operator +(Vector3 A,Vector3 B){return Vector3(A.x+B.x,A.y+B.y,A.z+B.z);}
Vector3 operator -(Vector3 A,Vector3 B){return Vector3(A.x-B.x,A.y-B.y,A.z-B.z);}
Vector3 operator *(Vector3 A,double p){return Vector3(A.x*p,A.y*p,A.z*p);}
Vector3 operator /(Vector3 A,double p){return Vector3(A.x/p,A.y/p,A.z/p);}

double Dot(Vector3 A,Vector3 B){return A.x*B.x+A.y*B.y+A.z*B.z;}//点积
double Length(Vector3 A){return sqrt(Dot(A,A));}
double Angle(Vector3 A,Vector3 B){return acos(Dot(A,B)/Length(A)/Length(B));}
int dcmp(double x)
{
    if(fabs(x)<eps)return 0;
    else return x<0?-1:1;
}
bool operator ==(Vector3 A,Vector3 B){return dcmp(A.x-B.x)==0&&dcmp(A.y-B.y)==0&&dcmp(A.z-B.z);}

//点p到平面p0-n的距离。n必须为单位向量
double DistanceToPlane(const Point3 &p,const Point3 &p0,const Vector3 &n)
{
    return fabs(Dot(p-p0,n));
}
//点在平面上的投影。n必须是单位向量
Point3 GetPlaneProjection(const Point3 &p,const Point3 &p0,const Vector3 &n)
{
    return p-n*Dot(p-p0,n);
}
//直线p1-p2和平面的交点。假定点唯一存在
Point3 LinePlaneIntersection(Point3 p1,Point3 p2,Point3 p0,Vector3 n)
{
    Vector3 v=p2-p1;
    double t=(Dot(n,p0-p1)/Dot(n,p2-p1));//判断分母是否为0
    return p1+v*t;//如果是线段,判断t是否在0和1之间。
}

//三维叉积
Vector3 Cross(Vector3 A,Vector3 B)
{
    return Vector3(A.y*B.z-A.z*B.y,A.z*B.x-A.x*B.z,A.x*B.y-A.y*B.x);
}
double Area2(Point3 A,Point3 B,Point3 C){return Length(Cross(B-A,C-A));}
//判断点P0是否在三角形△P0P1P2中
bool PointInTri(Point3 P,Point3 P0,Point3 P1,Point3 P2)
{
    double area1=Area2(P,P0,P1);
    double area2=Area2(P,P1,P2);
    double area3=Area2(P,P2,P0);
    return dcmp(area1+area2+area3-Area2(P0,P1,P2))==0;
}
//△P0P1P2是否和线段AB相交
bool TriSegIntersection(Point3 P0,Point3 P1,Point3 P2,Point3 A,Point3 B,Point3 &P)
{
    Vector3 n=Cross(P1-P0,P2-P0);
    if(dcmp(Dot(n,B-A))==0)return false;//线段AB和平面P0P1P2平行或者共面
    else
    {
        double t=Dot(n,P0-A)/Dot(n,B-A);
        if(dcmp(t)<0||dcmp(t-1)>0)return false;//交点不在线段AB上
        P=A+(B-A)*t;                    //计算交点
        return PointInTri(P,P0,P1,P2);//判断交点是否在三角形内
    }
}
//点P到直线AB的距离
double DistanceToLine(Point3 P,Point3 A,Point3 B)
{
    Vector3 v1=B-A,v2=P-A;
    return Length(Cross(v1,v2))/Length(v1);
}
//点P到线段AB的距离
double DistanceToSegment(Point3 P,Point3 A,Point3 B)
{
    if(A==B)return Length(P-A);
    Vector3 v1=B-A,v2=P-A,v3=P-B;
    if(dcmp(Dot(v1,v2))<0)return Length(v2);
    else if(dcmp(Dot(v1,v3))>0)return Length(v3);
    else return Length(Cross(v1,v2))/Length(v1);
}
//返回AB,AC,AD的混合积。它也等于四面体ABCD的有向体积的6倍。
double Volume6(Point3 A,Point3 B,Point3 C,Point3 D)
{
    return Dot(D-A,Cross(B-A,C-A));
}



int main()
{

}



<think>我们已知用户的问题是在PCL中计算点云与平面的切线。根据之前的对话历史,用户之前询问的是右手坐标系下根据X和Z求Y的问题,但当前问题已经转向点云处理。因此,我们需要忽略之前关于坐标系的讨论,专注于当前问题。 用户提供的引用中,引用[2]提到了在点云中计算每个点的切线方向的方法:对于每个点,通过寻找与其连线周围点密度最高的另一个点,用这两点的连线斜率作为该点的方向。但这个方法并不是直接计算点云与平面的切线。 实际上,用户的问题可以理解为:给定一个平面(可能是通过点云拟合得到的平面)和点云数据,如何计算点云中的点相对于该平面的切线方向? 在PCL中,并没有直接计算点云与平面切线的函数,但我们可以通过以下步骤实现: 1. 拟合平面:使用RANSAC等方法从点云中拟合出一个平面模型(ax+by+cz+d=0)。 2. 计算切平面:对于点云中的每个点,该点处的切平面就是拟合的平面(因为平面是全局的,所以每个点处的切平面都是同一个平面)。 3. 计算切线方向:在切平面上,过该点的切线方向有无数条,通常需要结合点云的局部结构来确定一个方向(比如局部投影到切平面后,用PCA分析主方向)。 然而,用户可能想要的是点云中每个点相对于该平面的投影,然后在投影平面上计算该点处的切线方向(即点云在投影平面上的轮廓切线)。这通常用于点云轮廓提取等应用。 具体步骤: 步骤1:拟合平面 使用PCL的SACSegmentation模块拟合平面,得到平面参数。 步骤2:将点云投影到拟合平面 使用PCL的ProjectInliers将点云投影到拟合平面上,得到二维投影点(虽然还是三维点,但落在平面上)。 步骤3:对投影点云进行二维凸包或凹包提取,得到轮廓 使用PCL的ConvexHull或ConcaveHull提取轮廓(二维多边形)。 步骤4:计算轮廓上点的切线方向 对于轮廓多边形上的每个点,计算其前后两个点,然后求该点处的切线方向(可以用前后两点连线的方向,或者用前后两点连线的垂直方向作为切线方向?注意:在轮廓上,切线方向应该是轮廓的切线)。 然而,如果用户想要的是点云中每个点(而不仅仅是轮廓点)在平面上的切线方向,那么通常这个切线方向是没有定义的,因为内部点并不在轮廓上。因此,我们通常只考虑轮廓点。 另一种方法:直接对投影到平面上的点云构建二维Delaunay三角剖分,然后提取边界边,在边界边上的点,其切线方向可以取该边界边的方向(或者相邻两个边界边的平均方向)。 但是,用户引用[3]中提到了一种方法:将点云用八叉树分割,计算每个节点的中点和平均方向(构造切线平面),然后将点投影到切线平面进行二维Delaunay三角剖分(DT)。这可以用于局部曲面重建,但也可以借鉴来求切线方向。 具体到用户的问题,我们可能有两种理解: 理解1:整个点云投影到同一个平面(全局平面)上,然后求投影点云的轮廓切线(即点云投影后的二维轮廓的切线)。 理解2:对于点云中的每个点,利用局部拟合的平面(切平面)和该点的局部邻域,求在该切平面上的切线方向(即该点处的主方向)。 由于问题描述是“点云与平面的切线”,我们这里假设是有一个给定的平面(可能是全局平面),所以按照理解1。 因此,步骤如下: 1. 拟合平面(如果平面已知则跳过) 2. 将点云投影到该平面 3. 在投影平面上,提取点云的二维凸包或凹包(轮廓) 4. 对于轮廓上的每个点,计算其切线方向(即该点前后两个轮廓点连线的方向) 在PCL中实现: 步骤1:拟合平面(假设点云为cloud) ```cpp pcl::ModelCoefficients::Ptr coefficients(new pcl::ModelCoefficients); pcl::PointIndices::Ptr inliers(new pcl::PointIndices); pcl::SACSegmentation<pcl::PointXYZ> seg; seg.setOptimizeCoefficients(true); seg.setModelType(pcl::SACMODEL_PLANE); seg.setMethodType(pcl::SAC_RANSAC); seg.setDistanceThreshold(0.01); seg.setInputCloud(cloud); seg.segment(*inliers, *coefficients); ``` 步骤2:投影点云 ```cpp pcl::ProjectInliers<pcl::PointXYZ> proj; proj.setModelType(pcl::SACMODEL_PLANE); proj.setInputCloud(cloud); proj.setModelCoefficients(coefficients); pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>::Ptr cloud_projected(new pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>); proj.filter(*cloud_projected); ``` 步骤3:提取二维凸包 注意:投影后的点云虽然落在三维平面上,但我们需要将其转换为二维点(或者使用PCL的凸包函数时指定二维平面)。 PCL的ConvexHull对象默认处理三维点云,但我们可以通过设置维度为2来强制进行二维凸包计算(需要确保点云共面)。 ```cpp pcl::ConvexHull<pcl::PointXYZ> hull; hull.setInputCloud(cloud_projected); hull.setDimension(2); // 设置为二维凸包 std::vector<pcl::Vertices> polygons; std::vector<pcl::PointXYZ> vertices; hull.reconstruct(vertices, polygons); // 注意:vertices是凸包顶点,polygons是凸包多边形(这里应该是一个多边形) ``` 步骤4:计算凸包上每个顶点的切线方向 由于凸包是一个多边形,我们可以遍历多边形的每条边。对于每个顶点,它属于两条边(前一条边和后一条边),我们可以取这两条边的方向向量的平均值作为该点的切线方向(或者直接使用前一条边的方向作为该点的出切线,后一条边的方向作为入切线,但通常我们只考虑一个方向,比如逆时针方向遍历时,该点处的切线方向为指向下一个点的方向)。 具体计算: 假设凸包顶点按逆时针顺序存储在vertices中(注意:PCL的ConvexHull输出的顶点顺序可能是无序的,但多边形顶点按顺序存储在polygons[0].vertices中,这是一个索引列表)。 因此,我们可以从polygons中获取有序的顶点索引,然后计算每个顶点处的切线方向。 例如,对于有序的顶点序列$P_0, P_1, ..., P_{n-1}$(逆时针),对于点$P_i$,其下一个点是$P_{(i+1)\%n}$,则切线方向向量为: $$ \vec{t} = P_{(i+1)\%n} - P_i $$ 然后归一化该向量。 注意:这个切线方向是凸包多边形边的方向,也就是轮廓的切线方向。 代码示例: ```cpp // 假设有序的顶点索引存储在polygons[0]中 std::vector<int> vertex_indices = polygons[0].vertices; int n = vertex_indices.size(); std::vector<Eigen::Vector3f> tangents(n); for (int i = 0; i < n; i++) { int next_i = (i+1) % n; pcl::PointXYZ& current = vertices[vertex_indices[i]]; pcl::PointXYZ& next = vertices[vertex_indices[next_i]]; Eigen::Vector3f dir(next.x - current.x, next.y - current.y, next.z - current.z); tangents[i] = dir.normalized(); } ``` 这样,我们就得到了凸包上每个点的切线方向(单位向量)。 如果用户需要的是凹包,可以使用ConcaveHull,步骤类似。 注意:上述方法得到的是整个点云投影到平面后的轮廓切线。如果用户想要的是点云中每个点相对于平面的切线(即每个点处的切平面上的任意方向),则没有唯一解。通常,我们会结合点云的局部结构,用PCA分析两个主方向(即切平面上的两个基向量),然后取其中一个作为切线方向(比如最大主方向)。 但是,根据问题描述,我们按照第一种理解(轮廓切线)来回答。 因此,总结PCL中计算点云与平面的切线的步骤为: 1. 拟合平面(若已知平面则跳过) 2. 投影点云到平面 3. 提取投影点云的二维凸包(或凹包)轮廓 4. 计算轮廓多边形上每个顶点的切线方向(即边的方向) 引用说明: 在点云投影和凸包提取方面,PCL的ProjectInliers和ConvexHull类提供了相应的功能[^1]。 计算轮廓切线方向的方法是基于多边形轮廓的边方向[^4]。 注意:如果用户没有指定平面,而是要求每个点处的切平面上的切线,那么需要采用局部平面拟合(使用K近邻或半径搜索),然后进行PCA分析得到主方向。但问题中明确提到“点云与平面的切线”,所以这里假设有一个全局平面。 下面提供两种理解的代码框架: 理解1(全局平面,轮廓切线)的代码框架如上。 理解2(每个点处的切平面上的切线方向)的步骤: 1. 对点云中的每个点,使用其邻域点拟合局部平面(或者直接使用全局平面,但这样每个点的切平面都一样,没有意义,所以通常用局部拟合) 2. 对每个点的邻域点进行PCA分析,得到两个主方向(即特征值最大的两个特征向量),这两个主方向就是切平面上的两个基,因此切线方向可以是这两个主方向中的任意一个线性组合,通常取最大主方向作为该点的切线方向(或者根据具体应用确定)。 代码示例(局部PCA): ```cpp pcl::KdTreeFLANN<pcl::PointXYZ> kdtree; kdtree.setInputCloud(cloud); int k = 30; // 邻域点数 for (int i = 0; i < cloud->size(); i++) { std::vector<int> indices; std::vector<float> distances; kdtree.nearestKSearch(i, k, indices, distances); // 计算邻域点的质心 Eigen::Vector4f centroid; pcl::compute3DCentroid(*cloud, indices, centroid); // 计算协方差矩阵 Eigen::Matrix3f covariance; pcl::computeCovarianceMatrixNormalized(*cloud, indices, centroid, covariance); // 计算特征值和特征向量 Eigen::SelfAdjointEigenSolver<Eigen::Matrix3f> solver(covariance); Eigen::Vector3f eigenvalues = solver.eigenvalues(); Eigen::Matrix3f eigenvectors = solver.eigenvectors(); // 特征值从小到大排列,因此最大主方向是eigenvectors的第2列(索引2) Eigen::Vector3f tangent = eigenvectors.col(2); // 最大主方向,即切平面上的一个切线方向(另一个是次大主方向,即col(1)) // 存储该点的切线方向 } ``` 但注意:这个切线方向是三维空间中的方向,并且位于该点处的切平面内。如果用户指定了一个全局平面,那么每个点的局部切平面可能和全局平面不同,所以这种方法与全局平面无关。 因此,我们需要明确用户的需求。根据问题描述“点云与平面的切线”,我们更倾向于理解1(全局平面下的轮廓切线)。 所以,最终回答按照理解1给出。 相关问题: 1. 在PCL中如何拟合点云的平面? 2. 如何将三维点云投影到二维平面? 3. PCL中如何提取点云的二维凸包? 4. 如何计算二维多边形上各点的切线方向?</think>在PCL中计算点云与平面的切线,需要结合点云投影、局部切平面估计和方向分析技术。以下是详细步骤和实现方法: --- ### 步骤1: 拟合平面(若平面未知) 如果平面未预先定义,需先通过点云拟合平面: ```cpp #include <pcl/ModelCoefficients.h> #include <pcl/sample_consensus/method_types.h> #include <pcl/sample_consensus/model_types.h> #include <pcl/segmentation/sac_segmentation.h> pcl::ModelCoefficients::Ptr coefficients(new pcl::ModelCoefficients); pcl::PointIndices::Ptr inliers(new pcl::PointIndices); pcl::SACSegmentation<pcl::PointXYZ> seg; seg.setOptimizeCoefficients(true); seg.setModelType(pcl::SACMODEL_PLANE); seg.setMethodType(pcl::SAC_RANSAC); seg.setDistanceThreshold(0.01); // 调整阈值 seg.setInputCloud(cloud); seg.segment(*inliers, *coefficients); // 获得平面方程 ax+by+cz+d=0 ``` --- ### 步骤2: 将点云投影到平面 将原始点云投影到拟合平面,得到二维分布: ```cpp #include <pcl/filters/project_inliers.h> pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>::Ptr projected_cloud(new pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>); pcl::ProjectInliers<pcl::PointXYZ> proj; proj.setModelType(pcl::SACMODEL_PLANE); proj.setInputCloud(cloud); proj.setModelCoefficients(coefficients); proj.filter(*projected_cloud); // 获得投影点云 ``` --- ### 步骤3: 计算局部切线方向 #### 方法1:基于局部邻域的主成分分析(PCA) ```cpp #include <pcl/kdtree/kdtree_flann.h> #include <pcl/features/normal_3d.h> pcl::NormalEstimation<pcl::PointXYZ, pcl::Normal> ne; pcl::PointCloud<pcl::Normal>::Ptr normals(new pcl::PointCloud<pcl::Normal>); ne.setInputCloud(projected_cloud); pcl::search::KdTree<pcl::PointXYZ>::Ptr tree(new pcl::search::KdTree<pcl::PointXYZ>); ne.setSearchMethod(tree); ne.setRadiusSearch(0.05); // 邻域搜索半径 ne.compute(*normals); // 计算法向量(即平面法向) // 提取切平面上的主方向 for (size_t i = 0; i < projected_cloud->size(); ++i) { Eigen::Vector3f tangent(normals->points[i].normal_y, -normals->points[i].normal_x, 0); tangent.normalize(); // 单位化切线向量 } ``` #### 方法2:基于轮廓点密度(引用[2]方法) ```cpp for (size_t i = 0; i < projected_cloud->size(); ++i) { pcl::PointXYZ p = projected_cloud->points[i]; std::vector<int> pointIdx; std::vector<float> pointDist; tree->radiusSearch(p, radius, pointIdx, pointDist); // 搜索邻域点 float best_score = -1; Eigen::Vector2f best_dir; for (int j : pointIdx) { pcl::PointXYZ q = projected_cloud->points[j]; Eigen::Vector2f dir(q.x - p.x, q.y - p.y); float score = 0; // 计算到当前连线的邻近点数量 for (int k : pointIdx) { if (k == j) continue; pcl::PointXYZ r = projected_cloud->points[k]; float dist = abs((r.x-p.x)*dir.y() - (r.y-p.y)*dir.x()) / dir.norm(); if (dist < threshold) score++; // 阈值根据点云密度调整 } if (score > best_score) { best_score = score; best_dir = dir; } } best_dir.normalize(); // 最优切线方向 } ``` --- ### 步骤4: 可视化与验证 使用PCL可视化模块检查切线方向: ```cpp #include <pcl/visualization/pcl_visualizer.h> pcl::visualization::PCLVisualizer viewer("Tangent Directions"); viewer.addPointCloud<pcl::PointXYZ>(projected_cloud, "projected_cloud"); for (size_t i = 0; i < projected_cloud->size(); i += 10) { // 每隔10个点显示切线 pcl::PointXYZ p = projected_cloud->points[i]; Eigen::Vector3f p_end(p.x + 0.1 * tangent_x[i], p.y + 0.1 * tangent_y[i], p.z); viewer.addLine(p, p_end, 255, 0, 0, "tangent_" + std::to_string(i)); } viewer.spin(); ``` --- ### 关键说明 1. **平面拟合**:若平面已知,直接使用其系数$ax+by+cz+d=0$[^1]。 2. **切线方向定义**:在切平面内,切线方向垂直于法向量$\vec{n}=(a,b,c)$,可通过叉积计算: $$ \vec{t} = \vec{n} \times \vec{v},\quad \vec{v}\text{为任意非平行向量} $$ 3. **局部vs全局切线**: - **全局切线**:适用于简单形状(如圆柱),直接使用投影点云凸包[^4]。 - **局部切线**:复杂表面需结合八叉树局部重建(引用[3]方法)。 --- ### 应用场景 1. **点云轮廓提取**:计算投影点云的凸包边界切线[^4]。 2. **曲面重建**:结合局部切平面进行细分曲面重建[^3]。 3. **运动轨迹分析**:提取点云序列中的路径切线方向。
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