PCL ICP配准【点到点】(Registration_ICP)

PCL专栏目录及须知

注意:ICP配准为最常用的精配准方法,需掌握原理及代码。

ICP配准即不停的迭代计算两点云之间相应点对的最小距离,如果点对之间的距离小于某个阈值或者达到最大迭代次数,即停止计算。

1.点云配准

1.1 点云配准解释

在实际点云处理过程中,由于被测物体尺寸过大,物体表面被遮挡或者三维扫描设备的扫描角度等因素,单次扫描往往得不到物体完整的几何信息。因此,对于多次在不同视角即不同参考坐标下扫描得到的两组或者多组点云进行合并统一到统一坐标系下,还原原始完整点云信息,即为点云配准。

1.2 刚性变换矩阵

点云配准一般通过对各输入点云进行一定的旋转和平移变换(不包括形变),以将不同坐标系下的两组或者多组点云数据统一到同一参考坐标系下。

由于不包含形变,因此该类只包含平移和旋转的变换矩阵即为刚性变换矩阵

1.2.1 刚性变换矩阵之平移矩阵

刚性变换由平移和旋转两个矩阵构成。其中平移矩阵即将点云从一个位置移动到另一个位置的矩阵:

平移矩阵通过向量t=(tx,ty,tz)对点云进行平移操作。

写为Eigen常用的4X4矩阵形式为:

1.2.2 刚性变换矩阵之旋转矩阵

旋转矩阵即为对点云进行位姿旋转的矩阵:

我们假设三个旋转矩阵 Rx(Θ)、Ry(Θ)、Rz(Θ)分别表示将物体绕x,y,z轴进行旋转。

旋转矩阵的三维推导

三个单个轴的旋转矩阵相乘,得到最终的旋转矩阵(α代表x轴,β代表y轴,γ代表z轴):

相乘最终得到的包含xyz三个轴旋转分量的旋转矩阵公式为:

1.2.3 合并平移及旋转矩阵

最终得到的刚性变换矩阵,即合并平移矩阵T(t)和旋转矩阵M(α,β,γ),得到最终的刚性变换矩阵。

如将点云点A,用如上矩阵进行刚性变换,得到点云点B,计算公式为:

1.3 ICP配准流程

1.3.1 ICP算法基本原理

(1)取待匹配的目标点云P,以及源点云Q。

(2)在点云P和点云Q中,按照一定的约束条件,找到最邻近的点对(Pi,Qi)

(3)迭代计算得出使得误差函数最小的,最优的匹配参数R(旋转矩阵)、T(平移矩阵)。

误差函数公式:

n:最邻近点对个数。

Pi、Qi:即最邻近的点对(Pi,Qi)。

R:旋转矩阵。

T:平移矩阵。

1.3.2 ICP算法具体流程

(1)在目标点云P中取点集Pi∈P;

(2)找目标点云及源点云之间的最邻近点对(Pi,Qi),即找出源点云Q中的对应点集Qi∈Q,使得| Qi-Pi |=min;

(3)计算得到旋转矩阵R和平移矩阵t,使得误差函数最小;

(4)对目标点云的点集Pi,使用上一步得到的旋转矩阵和平移矩阵进行刚体变换,得到新的目标点云点集:

(5)计算Pi'与对应点集Qi的平均距离。计算公式:

(6)如果满足收敛条件:1.d小于某一给定的阈值或者2.大于预设的最大迭代次数,则停止迭代计算。如不符合上述两个条件,则返回第二步,重新计算,直到满足收敛条件为止。

2.关键函数

(1)为终止条件设置最小转换差异,即最优点对距离的阈值(本值一般都设很小)

registration.setTransformationEpsilon(1e-10);							// 为终止条件设置最小转换差异

(2)设置对应点对之间的最大距离,即pcl::registration::CorrespondenceEstimation调用determineCorrespondences(*correspondences, dis)时的dis的值。

registration.setMaxCorrespondenceDistance(1.5);							// 设置对应点对之间的最大距离

(3)设置收敛条件是均方误差和小于阈值, 停止迭代;

registration.setEuclideanFitnessEpsilon(0.01);

(4)最大迭代次数

registration.setMaximumIterations(500);

(5)设置为true,则使用点对对应关系【需设置为false】

registration.setUseReciprocalCorrespondences(false);					// 设置为true,则使用点对对应关系

3.完整代码

#include <iostream>
#include <pcl/io/pcd_io.h>
#include <pcl/point_types.h>
#include <pcl/registration/icp.h>
#include <boost/thread/thread.hpp>
#include <pcl/visualization/pcl_visualizer.h>
#include <pcl/console/time.h>

using namespace std;

int
main(int argc, char** argv)
{
	/****************ICP配准********************/
	pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>::Ptr source(new pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>);			// 源点云
	pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>::Ptr target(new pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>);			// 目标点云
	pcl::io::loadPCDFile("D:/code/csdn/data/tree0.pcd", *source);
	pcl::io::loadPCDFile("D:/code/csdn/data/tree1.pcd", *target);
	pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>::Ptr result(new pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>);			// 目标点云转换后的结果

	// ICP配准
	pcl::IterativeClosestPoint<pcl::PointXYZ, pcl::PointXYZ> registration;	// icp对象
	registration.setInputSource(source);									// 源点云
	registration.setInputTarget(target);									// 目标点云
	registration.setTransformationEpsilon(1e-10);							// 为终止条件设置最小转换差异
	registration.setMaxCorrespondenceDistance(1.5);							// 设置对应点对之间的最大距离
	registration.setEuclideanFitnessEpsilon(0.01);							// 设置收敛条件是均方误差和小于阈值, 停止迭代;
	registration.setMaximumIterations(500);									// 最大迭代次数
	registration.setUseReciprocalCorrespondences(false);					// 设置为true,则使用点对对应关系
	registration.align(*result);

	std::cout << "点对匹配分数:" << registration.getFitnessScore() << std::endl;
	std::cout << "刚体变换矩阵:" << registration.getFinalTransformation() << std::endl;

	/****************展示********************/
	boost::shared_ptr<pcl::visualization::PCLVisualizer> viewer(new pcl::visualization::PCLVisualizer("ICP"));
	pcl::visualization::PointCloudColorHandlerCustom<pcl::PointXYZ>target_color(target, 255, 0, 0);		// 目标点云
	viewer->addPointCloud<pcl::PointXYZ>(target, target_color, "target cloud");
	pcl::visualization::PointCloudColorHandlerCustom<pcl::PointXYZ>result_color(result, 0, 255, 0);		// 配准结果点云
	viewer->addPointCloud<pcl::PointXYZ>(result, result_color, "result cloud");

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

	return (0);
}

4.结果展示

(1)配准前两棵树的位置

(2)两棵树配准后的结果点云

<think>好的,我现在需要帮助用户了解如何使用PCL库实现ICP算法进行点云的精细。首先,我需要回忆ICP算法的基本概念和步骤。ICP主要用于点云的精细,通常在粗之后使用,比如SAC-IA之后。ICP通过迭代优化两点云之间的变换矩阵,最小化对应点之间的距离。 接下来,用户需要具体的实现教程和示例代码。根据提供的引用资料,特别是引用[4],里面提到了PCL中使用非线性最小二乘法优化的点到面ICP算法,适用于精。这可能涉及到法线计算、点到面误差度量等步骤。 首先,我应该确定ICPPCL中的实现方式。PCL中的ICP类主要有两种:常规的ICP和点到面的ICP。常规ICP使用点到点的误差度量,而点到面的ICP则需要法线信息,使用点到目标点切平面的距离作为误差。根据引用[4],用户可能需要的是更精细的点到面ICP,所以代码示例应该包括法线估计部分。 然后,我需要考虑代码的结构。通常步骤包括加载点云、下采样、法线计算、应用ICP算法、输出结果。在引用[4]中提到的关键步骤有加载数据、计算法线、、输出变换矩阵和可视化。因此,代码示例需要包含这些部分。 需要注意的PCL类包括pcl::NormalEstimation用于法线计算,pcl::IterativeClosestPointNonLinear或pcl::GeneralizedIterativeClosestPoint用于非线性优化。引用[4]提到了非线性最小二乘法优化,因此可能需要使用pcl::IterativeClosestPointNonLinear类。 此外,参数设置也很重要,比如最大迭代次数、变换epsilon值、欧氏距离阈值等,这些会影响的精度和速度。需要合理设置这些参数,并在代码中进行注释说明。 可能遇到的问题包括点云预处理不足导致失败,法线估计参数(如搜索半径)不合适,或者迭代次数不足。因此,在教程中需要提到这些注意事项,帮助用户调试。 最后,根据用户要求生成相关问题,我需要思考与ICP相关的扩展问题,比如参数调优、不同ICP变体的区别、处理大规模点云的方法等。这些问题可以帮助用户深入理解ICP的应用和优化。</think>### PCL实现ICP精细教程 #### 1. ICP算法原理 ICP通过迭代优化刚性变换矩阵(旋转+平移),最小化两点云对应点之间的距离。数学目标函数为: $$ \min_{R,t} \sum_{i=1}^n ||(Rp_i + t) - q_i||^2 $$ 其中$R$为旋转矩阵,$t$为平移向量[^4] #### 2. 实现步骤 1. **数据加载**:读取源点云和目标点云 2. **法线计算**:使用`NormalEstimation`计算点云法线 3. **ICP初始化**:设置最大迭代次数、容差阈值等参数 4. **执行**:通过迭代优化得到变换矩阵 5. **结果处理**:应用变换矩阵,保存结果 #### 3. 示例代码(C++) ```cpp #include <pcl/io/pcd_io.h> #include <pcl/features/normal_3d.h> #include <pcl/registration/icp_nl.h> int main() { // 加载点云 pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>::Ptr source(new pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>); pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>::Ptr target(new pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>); pcl::io::loadPCDFile("cloud1.pcd", *source); pcl::io::loadPCDFile("cloud2.pcd", *target); // 计算法线(点到面ICP需要) pcl::NormalEstimation<pcl::PointXYZ, pcl::PointNormal> ne; ne.setInputCloud(source); ne.setRadiusSearch(0.05); // 根据点云密度调整 pcl::PointCloud<pcl::PointNormal>::Ptr source_normals(new pcl::PointCloud<pcl::PointNormal>); ne.compute(*source_normals); // 创建ICP对象(非线性优化版本) pcl::IterativeClosestPointNonLinear<pcl::PointNormal, pcl::PointNormal> icp; icp.setMaximumIterations(50); // 最大迭代次数 icp.setTransformationEpsilon(1e-6); // 变换矩阵收敛阈值 icp.setEuclideanFitnessEpsilon(0.1);// 欧氏距离收敛阈值 // 执行 icp.setInputSource(source_normals); icp.setInputTarget(target_normals); pcl::PointCloud<pcl::PointNormal> Final; icp.align(Final); // 输出结果 std::cout << "变换矩阵:\n" << icp.getFinalTransformation() << std::endl; pcl::io::savePCDFile("aligned.pcd", Final); return 0; } ``` #### 4. 关键参数说明 - `setMaximumIterations`:迭代次数影响精度与耗时,建议50-100次 - `setTransformationEpsilon`:变换矩阵变化量阈值(1e-6~1e-8) - `setMaxCorrespondenceDistance`:对应点最大搜索距离(根据点云间距设置) #### 5. 优化建议 1. **预处理**:使用VoxelGrid滤波进行下采样提升速度[^1] 2. **法线计算**:合理设置搜索半径(约为点云平均间距的2-3倍) 3. **多阶段**:先粗(SAC-IA)后精细[^3][^4]
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