PCL学习:刚性物体的位姿估计

本文介绍了如何在有遮挡的环境中使用Point Cloud Library(PCL)进行刚性物体的位姿估计。通过SampleConsensusPrerejective算法,利用CorrespondenceRejectorPoly排除错误位姿假设,实现高效位姿估计。实验结果显示,原始点云在右视图,配准后的点云在左视图,蓝色代表场景点云,绿色表示目标点云。

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 代码说明:

1. 在存在遮挡情况的场景中估计某个刚性物体的位姿;

2. 采用类SampleConsensusPrerejective,实现基于采样一致性的位姿估计,其高效之处在于利用类CorrespondenceRejectorPoly提前去除了错误位姿的假设;

SampleConsensusPrerejective的关键成员函数:

void  setSourceFeatures (const FeatureCloudConstPtr &features)
  设置一个指向源点云的特征描述对象的 boost 库的共享指针 features.
 
### 刚体变换位姿估计原理 #### 定义与背景 刚体变换是指物体在空间中的平移和旋转操作,保持形状不变。对于计算机视觉应用而言,刚体变换用于描述相机或其他对象相对于某一固定坐标系的位置变化[^3]。 #### 变换矩阵表示 \(T_{cw}\) 表示从世界坐标系 \(W\) 转换至相机坐标系 \(C\) 的转换关系。该变换由一个旋转分量 R 和一个平移向量 t 组成: \[ T_{cw} = \begin{bmatrix} R & t \\ \mathbf{0}^T & 1 \end{bmatrix} \] 其中,\(R ∈ SO(3)\),即正交矩阵集合;而 \(t ∈ ℝ³\) 是三维实数向量。 #### 特征匹配方法概述 为了实现两个不同视角下获取的数据间的配准,通常采用基于特征的方法来建立对应关系。这些特征可能是通过传统算法提取出来的几何特性或是借助深度学习技术获得的语义信息。例如,在点云数据处理领域内存在多种有效的局部特征描述子可供选用,包括但不限于 Spin Images、3D Shape Contexts、FPFH (Fast Point Feature Histograms) 等经典方案以及像 PoseCNN 这样的现代神经网络架构所生成的高级表征形式[^4]。 #### 位姿求解策略 一旦建立了可靠的特征对应,则可通过最小化重投影误差或直接距离度量等方式来进行最终的姿态参数调整。针对离散采样型输入(如激光雷达扫描),常用的技术手段有迭代最近邻法 Iterative Closest Points (ICP)[^5]。此过程涉及到一系列交替执行的操作:寻找最接近当前预测位置的目标点集成员作为参照物,并据此更新待估变量直至收敛为止。 对于连续流形上的优化问题,还可以利用李群理论框架下的工具箱完成更高效的数值计算。特别是当考虑到了噪声影响因素之后,往往倾向于采取鲁棒性强且具备全局最优保障性的贝叶斯推断机制,比如 Bundle Adjustment (BA) 方法就是一种典型代表。 ```python import numpy as np def icp_svd(source_points, target_points): """ 使用 SVD 实现简单的 ICP 对齐 """ # Step 1: Compute centroids and de-mean points source_centroid = np.mean(source_points, axis=0) target_centroid = np.mean(target_points, axis=0) H = (source_points - source_centroid).T @ (target_points - target_centroid) U, _, V_t = np.linalg.svd(H) R = V_t.T @ U.T if np.linalg.det(R) < 0: V_t[-1,:] *= -1 R = V_t.T @ U.T t = target_centroid - R @ source_centroid return R, t.reshape(-1, 1) if __name__ == "__main__": src_pts = np.array([[1., 2., 3.], [4., 5., 6.]]) tgt_pts = np.array([[7., 8., 9.], [10., 11., 12.]]) rotation_matrix, translation_vector = icp_svd(src_pts, tgt_pts) print(f"Rotation Matrix:\n {rotation_matrix}") print(f"Translation Vector:\n {translation_vector}") ```
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