[PCL] 3D特征点概述(1)

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广泛使用的几何点特征的示例是下图的表面在查询点p处的估计曲率和法线。被认为是局部特征,因为它们使用由其k个最近点邻居提供的信息来表征点。

为了有效地确定这些邻居,输入数据集通常使用空间分解技术(八叉树或kd树)分割成更小的块( 上:kd-tree,下:八叉树),然后执行在那个空间里最近点搜索。 

 接下来介绍几种特征点性质属性,以及应用的场景领域。

PFH (Point Feature Histogram)

一种局部特征点。

输入格式:

(1)由一组带有方向的点P组成的点云。有方向意味着所有点都具有正常的N(法向量)。

(2)此功能不使用颜色信息。

工作原理:

(1)迭代点云P中的点。

(2)对于输入云中的每个点Pi(i是迭代索引),收集具有半径r的Pi周围的球体内的所有相邻点。 这个集合称为Pik(k为k个邻居)

(3)循环关于Pik中的两对点,比如p1和p2。 法线与矢量p1-p2的角度较小的点是源点ps,另一个是目标点pt。

(4)计算四个特征,它们一起表示目标点pt处的平均曲率。 将它们组合并放入等效的直方图箱中。

简短概述:

(1)为P中的所有的点云计算法线。

(2)估计P中的点Pi的特征:获取围绕点Pi(Pik)的半径r中的k个邻居的集合。在两点之间计算四个特征。相应的bin增加1.生成点特征直方图(PFH)。

(3)将得到的直方图组与其他点云的组进行比较,以便找到对应关系。 

FPFH (Fast Point Feature Histogram)

也是一种局部特征点,且是PFH(Point Feature Histogram)的一种扩展描述。

输入格式:

(1)由一组定向点P组成的点云。定向意味着所有点都具有正常的n(法向量)。

(2)此功能不使用颜色信息。(这些都和PFH一样的要求)

工作原理: 由于FPFH来自PFH,因此它的工作方式非常相似。但是有一些优化步骤使FPFH更快。

(1)迭代点云集 P 中的所有点云。

(2)对于输入点云中的每个点Pi(i是迭代索引),收集具有半径r的Pi周围的球体内的所有相邻点。这个集合称为Pik(k为k个邻居)。

(3)该循环仅将点Pi与其每个邻居相关联(记住在PFH中,循环将生成Pi对及其邻居以及_Pi_s邻居之间!)。在这样的一对中,法线与矢量p1-p2的角度小的点是源点ps,另一个是目标点pt。

(4)计算三个特征(PFH中的四个,Ps和Pt之间的距离被遗漏),它们一起表示目标点pt处的平均曲率。将它们组合并放入等效的直方图箱中。

(5)与FPFH中一样,仅考虑查询点Pi与其邻居之间的直接对(计算量少得多),得到的直方图称为SPFH(简单点特征直方图)。

(6)最后一步是新的:要重新补偿“丢失”连接,相邻的SPFH将根据其空间距离添加到Pi的SPFH。

 简短概述:

(1)为P中的所有点计算法线

(2)估计P中的点Pi的特征:获取围绕点Pi(Pik)的半径r中的k个邻居的集合。在两点之间计算三个特征(仅在Pi与其邻居之间!)。相应的bin增加1.生成简单的点特征直方图(SPFH)。

(3)为了达到更多的点和连接(最多2次r),邻居的SPFH根据它们的空间距离加以加权作为最后一步。

(4)可以将得到的直方图组与其他点云的组进行比较,以便找到对应关系。

VFH (Viewpoint Feature Histogram)

VFH是一种全局特征点,扩展了FPFH的一种方法。

输入格式:

(1)由一组定向点P组成的点云。定向意味着所有点都具有正常的n法向量。

(2)此功能不使用颜色信息。

工作原理:

(1)计算点云的质心pc及其法向量nc。计算视点和质心之间的向量vc并对其进行标准化。

(2)VFH由两部分组成:视点部分和扩展的FPFH模块。

(3)要映射视点分量,迭代P中的所有点云,并计算它们的法线以及vc之间的角度。增加相应的直方图bin。

(4)对于扩展的FPFH组件,只需计算质心pc处的FPFH,将整个周围点云P设置为邻居。

(5)将两个直方图一起添加。

 简短概述:

(1)估算点云中的质心及其法线。计算视点和视点之间的归一化矢量vc。

(2)对于所有点,计算它们的法线和vc之间的角度。

(3)估算质心的FPFH,将所有剩余点设置为邻居。

CVFH (Clustered Viewpoint Feature Histogram)

CVFH是一种基于区域描述的特征点,也是基于VHF扩展的方法。

输入格式:(和上述一样的输入)

(1)由一组定向点P组成的点云。定向意味着所有点都具有正常的法向量n。

(2)此功能不使用颜色信息。

工作原理:

(1)由于遮挡和传感器限制,我们使用传感器获取的是物体的2.5D点云数据,一旦缺失部分点云,计算整个点云的点和正常质心的结果可能完全不同。这就是为什么一旦点云中缺少必要点,VFH描述符也就会完全不同。

(2)CVFH创建稳定的集群区域。从点云P开始,新的簇Ci从尚未分配给任何簇的随机点Pr开始。如果Ci中存在点Pj,则P中的每个点Pi被分配给该簇,使得它们的法线类似并且它们处于直接邻域中(比较角度和距离阈值)。聚类簇群太少的集群被拒绝或忽略。

(3)计算每个群集上的VFH。

(4)为每个直方图添加形状分布,表示点如何围绕质心分布。

 简短概述

(1)将点云细分为具有相似法线的相邻点的聚类(稳定区域)。

(2)计算每个群集的VFH。

(3)将形状分布组件(SDC)添加到每个直方图。

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