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Python教程:如何创建和可视化点云数据

1、简介点云应用无处不在:机器人、自动驾驶汽车、辅助系统、医疗保健等。点云是一种适合处理现实世界数据的3D表示,特别是在需要场景/对象的几何形状时,如对象的距离、形状和大小。点云是一组点,代表现实世界中的场景或空间中的对象。它是几何对象和场景的离散表示。换句话说,点云PCD是n个点的集合,其中每个点Pi用其3D坐标表示:注意,还可以添加一些其他特征来描述点云,如RGB颜色、法线等。例如,可以添加RGB颜色来提供颜色信息。2、点云生成点云通常使用3D扫描仪(激光扫描仪、飞行时间扫描仪和结构光扫描仪)或计算机

本文目录


    1、简介

    点云应用无处不在:机器人、自动驾驶汽车、辅助系统、医疗保健等。点云是一种适合处理现实世界数据的3D表示,特别是在需要场景/对象的几何形状时,如对象的距离、形状和大小。

    点云是一组点,代表现实世界中的场景或空间中的对象。它是几何对象和场景的离散表示。换句话说,点云PCD是n个点的集合,其中每个点Pi用其3D坐标表示:

    Python教程:如何创建和可视化点云数据

    注意,还可以添加一些其他特征来描述点云,如RGB颜色、法线等。例如,可以添加RGB颜色来提供颜色信息。

    2、点云生成

    点云通常使用3D扫描仪(激光扫描仪、飞行时间扫描仪和结构光扫描仪)或计算机辅助设计(CAD)模型生成。在本教程中,我们将首先创建随机点云并将其可视化。然后,我们将使用Open3D库从3D表面采样点,从3D模型生成它。最后,我们将看到如何从RGB-D数据创建它们。

    让我们从导入Python库开始:

    import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt
    import open3d as o3d

    2.1 随机点云

    最简单的方法是随机创建一个点云。注意,我们通常不会创建要处理的随机点,除非为GAN(生成对抗网络)创建噪声。

    通常,点云由(n×3)数组表示,其中n是点的数量。让我们用5个随机点创建一个点云:

    number_points = 5
    pcd = np.random.rand(number_points, 3)# uniform distribution over [0, 1)
    print(pcd)

    我们可以直接打印这些点,但效率不高,特别是在大多数应用中,如果点的数量很大的话。更好的方法是将它们显示在3D空间中。让我们用Matplotlib库来可视化它:

    # Create Figure:
    fig, ax = plt.subplots(subplot_kw={"projection": "3d"})
    ax.scatter3D(pcd[:, 0], pcd[:, 1], pcd[:, 2])
    # label the axes
    ax.set_xlabel("X")
    ax.set_ylabel("Y")
    ax.set_zlabel("Z")
    ax.set_title("Random Point Cloud")
    # display:
    plt.show()

    Python教程:如何创建和可视化点云数据

    随机点云可视化

    2.2 采样点云

    直接处理3D模型需要时间。因此,从它们的三维表面采样点云是一个潜在的解决方案。让我们首先从Open3D数据集中导入兔子模型:

    bunny = o3d.data.BunnyMesh()
    mesh = o3d.io.read_triangle_mesh(bunny.path)

    或者以如下方式导入:

    mesh = o3d.io.read_triangle_mesh("data/bunny.ply")

    接下来,显示 3D 模型以查看其外观。您可以移动鼠标从不同的视点进行查看。

    # Visualize:
    mesh.compute_vertex_normals() # compute normals for vertices or faces
    o3d.visualization.draw_geometries([mesh])

    Python教程:如何创建和可视化点云数据

    兔子3D模型

    要对点云进行采样,有几种方法。在此示例中,我们从导入的网格中均匀地采样 1000 个点并将其可视化:

    # Sample 1000 points:
    pcd = mesh.sample_points_uniformly(number_of_points=1000)
    
    
    # visualize:
    o3d.visualization.draw_geometries([pcd])

    Python教程:如何创建和可视化点云数据

    兔子点云

    我们可以将创建的点云保存为 .ply 格式,如下所示:

    # Save into ply file:
    o3d.io.write_point_cloud("output/bunny_pcd.ply", pcd)

    2.3 来自 RGB-D 数据的点云

    RGB-D 数据是使用RGB-D传感器(例如 Microsoft Kinect)收集的,该传感器同时提供 RGB 图像和深度图像。RGB-D传感器被广泛应用于室内导航、避障等领域。由于RGB图像提供像素颜色,所以深度图像的每个像素表示其与相机的距离。

    Open3D 为 RGB-D 图像处理提供了一组函数。要使用 Open3D 函数从 RGB-D 数据创建点云,只需导入两个图像,创建一个 RGB-D 图像对象,最后计算点云如下:

    # read the color and the depth image:
    color_raw = o3d.io.read_image("../data/rgb.jpg")
    depth_raw = o3d.io.read_image("../data/depth.png")
    
    
    # create an rgbd image object:
    rgbd_image = o3d.geometry.RGBDImage.create_from_color_and_depth(
    color_raw, depth_raw, convert_rgb_to_intensity=False)
    # use the rgbd image to create point cloud:
    pcd = o3d.geometry.PointCloud.create_from_rgbd_image(
    rgbd_image,
    o3d.camera.PinholeCameraIntrinsic(
    o3d.camera.PinholeCameraIntrinsicParameters.PrimeSenseDefault))
    
    
    # visualize:
    o3d.visualization.draw_geometries([pcd])

    Python教程:如何创建和可视化点云数据

    从 RGB-D 图像生成的彩色点云

    3、Open3D和NumPy

    有时您需要在Open3D和NumPy之间切换。例如,假设我们想要将NumPy点云转换为Open3D.PointCloud对象进行可视化,并使用Matplotlib可视化兔子的3D模型。

    3.1 从NumPy到Open3D

    在本例中,我们使用NumPy.random.rand()函数创建2000个随机点,该函数从[0,1]的均匀分布中创建随机样本。然后我们创建一个Open3D.PointCloud对象,并使用Open3D.utility.Vector3dVector()函数将其Open3D.PointCloud.points特征设置为随机点。

    # Create numpy pointcloud:
    number_points = 2000
    pcd_np = np.random.rand(number_points, 3)
    
    
    # Convert to Open3D.PointCLoud:
    pcd_o3d = o3d.geometry.PointCloud()# create point cloud object
    pcd_o3d.points = o3d.utility.Vector3dVector(pcd_np)# set pcd_np as the point cloud points
    
    
    # Visualize:
    o3d.visualization.draw_geometries([pcd_o3d])

    Python教程:如何创建和可视化点云数据

    随机点云的 Open3D 可视化

    3.2 从 Open3D到NumPy

    这里,我们首先使用Open3D.io.read_point_cloud()函数从.ply文件中读取点云,该函数返回一个Open3D.PointCloud对象。现在我们只需要使用NumPy.asarray()函数将表示点的Open3D.PointCloud.points特征转换为NumPy数组。最后,我们像上面那样显示获得的数组。

    # Read the bunny point cloud file:
    pcd_o3d = o3d.io.read_point_cloud("../data/bunny_pcd.ply")
    
    
    # Convert the open3d object to numpy:
    pcd_np = np.asarray(pcd_o3d.points)
    
    
    # Display using matplotlib:
    fig, ax = plt.subplots(subplot_kw={"projection": "3d"})
    ax.scatter3D(pcd_np[:, 0], pcd_np[:, 2], pcd_np[:, 1])
    # label the axes
    ax.set_xlabel("X")
    ax.set_ylabel("Y")
    ax.set_zlabel("Z")
    ax.set_title("Bunny Point Cloud")
    # display:
    plt.show()

    Python教程:如何创建和可视化点云数据

    使用 Matplotlib 显示的兔子点云

    4、最后

    在本教程中,我们学习了如何创建和可视化点云。在接下来的教程中,我们将学习如何处理它们。


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