pcl normal estimator

本文探讨了在点云数据中估计表面法线的方法,这一属性对于计算机视觉应用至关重要。文章详细介绍了如何将表面法线估计问题转化为协方差矩阵的特征向量和特征值分析,即主成分分析(PCA)。此过程涉及对查询点的最近邻进行分析,最终解决表面法线估计问题。

平面的法线是垂直于它的单位向量。在点云的表面的法线被定义为垂直于与点云表面相切的平面的向量。表面法线也可以计算点云中一点的法线,被认为是一种十分重要的性质。常常在被使用在很多计算机视觉的应用里面,比如可以用来推出光源的位置,通过阴影与其他视觉影响,表面法线的问题可以近似化解为切面的问题,这个切面的问题又会变成最小二乘法拟合平面的问题

解决表面法线估计的问题可以最终化简为对一个协方差矩阵的特征向量和特征值的分析(或者也叫PCA-Principal Component Analysis 主成分分析),这个协方差矩阵是由查询点的最近邻产生的。对于每个点Pi,我们假设协方差矩阵C如下:

#include <iostream> #include <pcl/io/pcd_io.h> #include <pcl/point_types.h> #include <pcl/features/normal_3d_omp.h> // 使用OMP加速法向量计算 #include <pcl/registration/icp_nl.h> // 非线性ICP算法 #include <pcl/visualization/pcl_visualizer.h> #include <boost/thread/thread.hpp> #include <pcl/console/time.h> // 控制台时间计时器 using namespace std; // 计算法线 pcl::PointCloud<pcl::PointNormal>::Ptr compute_normals(pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>::Ptr input_cloud) { pcl::NormalEstimationOMP<pcl::PointXYZ, pcl::Normal> normal_estimator; pcl::PointCloud<pcl::Normal>::Ptr normals(new pcl::PointCloud<pcl::Normal>); pcl::search::KdTree<pcl::PointXYZ>::Ptr tree(new pcl::search::KdTree<pcl::PointXYZ>); normal_estimator.setNumberOfThreads(8); // 使用多线程加速法线计算 normal_estimator.setInputCloud(input_cloud); // 设置输入点云 normal_estimator.setSearchMethod(tree); // 设置 KD 树搜索 normal_estimator.setKSearch(10); // 设置 K 近邻搜索 normal_estimator.compute(*normals); // 计算法线 // 拼接点云数据与法线 pcl::PointCloud<pcl::PointNormal>::Ptr cloud_with_normals(new pcl::PointCloud<pcl::PointNormal>); pcl::concatenateFields(*input_cloud, *normals, *cloud_with_normals); return cloud_with_normals; } // 执行 LM-ICP 配准 void run_lm_icp(pcl::PointCloud<pcl::PointNormal>::Ptr& source_normal, pcl::PointCloud<pcl::PointNormal>::Ptr& target_normal, Eigen::Matrix4f& final_transform, pcl::PointCloud<pcl::PointNormal>::Ptr& icp_cloud) { // 初始化 LM ICP 对象 pcl::IterativeClosestPointNonLinear<pcl::PointNormal, pcl::PointNormal> lm_icp; // 设置 ICP 参数 lm_icp.setInputSource(source_normal); lm_icp.setInputTarget(target_normal); lm_icp.setTransformationEpsilon(1e-10); // 设置最小转换差异 lm_icp.setMaxCorrespondenceDistance(10); // 设置最大对应点距离 lm_icp.setEuclideanFitnessEpsilon(0.001); // 设置均方误差收敛条件 lm_icp.setMaximumIterations(50); // 设置最大迭代次数 // 执行 LM-ICP 配准 lm_icp.align(*icp_cloud); final_transform = lm_icp.getFinalTransformation(); std::cout
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03-08
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