深度图生成三维点云

本文介绍如何利用深度图和RGB图像生成三维点云,主要应用于机器人和其他领域。作者分享了自己编写的Python转换函数,并提供了一个简单的坐标转换原理链接,读者可以参考该原理并结合提供的代码实现点云生成。

如何用Python快速通过深度图片生成点云图像并预览

原理

在机器人及其他应用中,除了传统的RGB三通道相机以外,常常还会配置有深度传感器。比较常用的有Kinect,Lidar等等。博主前段时间被研究所导师布置了一个用深度图(depth image)和RGB图片来生成点云的任务。一开始谷歌百度了很久发现居然没有python的解法。实际上这是一个非常简单的问题,只要计算一下二维到三维的映射就可以了。
我自己写了一个转换函数可以直接生成点云了,原始repo在:Github代码库

代码

from PIL import Image
import pandas as pd
import numpy as np
from open3d import read_point_cloud, draw_geometries
import time


class point_cloud_generator():

    def __init__(self, rgb_file, depth_file, pc_file, focal_length, scalingfactor):
        self.rgb_file = rgb_file
        self.depth_file = depth_file
        self.pc_file = pc_file
        self.focal_length = focal_length
        self.scalingfactor = scalingfactor
        self.rgb = Image.open(rgb_file)
        self.depth = Image.open(depth_file).convert('I')
        self.width = self.rgb.size[0]
        self.height = sel
深度图生成三维点数据是一种常见的方法,尤其在计算机视觉和机器人领域中广泛应用。深度图像通常包含每个像素对应的深度值(即该点距离相机的距离),结合相机的内参矩阵,可以将这些深度值转换为三维空间中的点坐标,从而构建点云数据。 ### 1. 深度图像到点云的基本原理 深度图像是一个二维数组,其中每个元素表示对应像素点的深度值 $d$。为了将其转换为三维点,需要使用相机的内参矩阵来将像素坐标 $(u, v)$ 转换为相机坐标系下的三维坐标 $(X, Y, Z)$。 假设相机的内参矩阵为: $$ K = \begin{bmatrix} f_x & 0 & c_x \\ 0 & f_y & c_y \\ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} $$ 其中: - $f_x$、$f_y$ 是相机在 x 和 y 方向上的焦距; - $c_x$、$c_y$ 是图像主点(光心)的坐标。 对于图像中的任意像素 $(u, v)$,其对应的相机坐标系下的三维坐标为: $$ Z = d(u, v) \\ X = \frac{(u - c_x) \cdot Z}{f_x} \\ Y = \frac{(v - c_y) \cdot Z}{f_y} $$ 这样就可以将每一个像素点转换为三维空间中的点 $(X, Y, Z)$,最终形成点云数据[^2]。 ### 2. 数据处理步骤 #### (1)读取深度图像 使用 OpenCV 或 PIL 库读取深度图像,并确保其为单通道浮点型或整型数据。 ```python import cv2 import numpy as np depth_image = cv2.imread("depth_image.png", cv2.IMREAD_ANYDEPTH).astype(np.float32) ``` #### (2)定义相机参数 根据相机标定结果设置焦距和主点坐标。 ```python fx, fy = 525.0, 525.0 # 焦距 cx, cy = 319.5, 239.5 # 主点坐标 ``` #### (3)生成点云 遍历深度图像中的每个像素,计算其对应的三维坐标。 ```python height, width = depth_image.shape points = [] for v in range(height): for u in range(width): d = depth_image[v, u] if d == 0: # 忽略无效深度值 continue z = d / 1000.0 # 假设深度单位是毫米,转换为米 x = (u - cx) * z / fx y = (v - cy) * z / fy points.append([x, y, z]) point_cloud = np.array(points) ``` #### (4)可视化与保存 使用 `open3d` 可视化并保存点云数据。 ```python import open3d as o3d pcd = o3d.geometry.PointCloud() pcd.points = o3d.utility.Vector3dVector(point_cloud) o3d.visualization.draw_geometries([pcd]) o3d.io.write_point_cloud("output.ply", pcd) ``` ### 3. 进阶处理方法 - **去噪与滤波**:使用统计滤波、半径滤波等方法去除离群点。 - **法线估计**:通过局部邻域分析估计点云法线方向,用于后续建模或特征提取。 - **下采样**:对大规模点云进行降采样以提高处理效率。 - **配准与融合**:当有多个视角的深度图像时,可通过配准技术将多个点云对齐并融合为一个完整的模型。 ---
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