PCL—低层次视觉—点云分割（RanSaC）

时间：2021-02-28 11:33:24

点云分割

　　点云分割可谓点云处理的精髓，也是三维图像相对二维图像最大优势的体现。不过多插一句，自Niloy J Mitra教授的Global contrast based salient region detection出现，最优分割到底鹿死谁手还不好说。暂且不论他开挂的图像处理算法，先安心做一个PCL吹~

　　点云分割的目的提取点云中的不同物体，从而实现分而治之，突出重点，单独处理的目的。而在现实点云数据中，往往对场景中的物体有一定先验知识。比如：桌面墙面多半是大平面，桌上的罐子应该是圆柱体，长方体的盒子可能是牛奶盒......对于复杂场景中的物体，其几何外形可以归结于简单的几何形状。这为分割带来了巨大的便利，因为简单几何形状是可以用方程来描述的，或者说，可以用有限的参数来描述复杂的物体。而方程则代表的物体的拓扑抽象。于是，RanSaC算法可以很好的将此类物体分割出来。

RanSaC算法

　　RanSaC算法（随机采样一致）原本是用于数据处理的一种经典算法，其作用是在大量噪声情况下，提取物体中特定的成分。下图是对RanSaC算法效果的说明。图中有一些点显然是满足某条直线的，另外有一团点是纯噪声。目的是在大量噪声的情况下找到直线方程，此时噪声数据量是直线的3倍。

PCL—低层次视觉—点云分割（RanSaC）

　　如果用最小二乘法是无法得到这样的效果的，直线大约会在图中直线偏上一点。关于随机采样一致性算法的原理，在wiki百科上讲的很清楚，甚至给出了伪代码和matlab,C代码。见网址https://en.wikipedia.org/wiki/RANSAC. 我想换一个不那么严肃或者说不那么学术的方式来解释这个算法。

　　实际上这个算法就是从一堆数据里挑出自己最心仪的数据。所谓心仪当然是有个标准（目标的形式:满足直线方程？满足圆方程？以及能容忍的误差e）。平面中确定一条直线需要2点，确定一个圆则需要3点。随机采样算法，其实就和小女生找男朋友差不多。

  1. 从人群中随便找个男生，看看他条件怎么样，然后和他谈恋爱，（平面中随机找两个点，拟合一条直线，并计算在容忍误差e中有多少点满足这条直线）
  2. 第二天，再重新找个男生，看看他条件怎么样，和男朋友比比，如果更好就换新的（重新随机选两点，拟合直线，看看这条直线是不是能容忍更多的点，如果是则记此直线为结果）
  3. 第三天，重复第二天的行为（循环迭代）
  4. 终于到了某个年龄，和现在的男朋友结婚（迭代结束，记录当前结果）

　　显然，如果一个女生按照上面的方法找男朋友，最后一定会嫁一个好的（我们会得到心仪的分割结果）。只要这个模型在直观上存在，该算法就一定有机会把它找到。优点是噪声可以分布的任意广，噪声可以远大于模型信息。

　　这个算法有两个缺点，第一，必须先指定一个合适的容忍误差e。第二，必须指定迭代次数作为收敛条件。

　　综合以上特性，本算法非常适合从杂乱点云中检测某些具有特殊外形的物体。

PCL中基于RanSaC的点云分割方法

　　PCL支持了大量几何模型的RanSaC检测，可以非常方便的对点云进行分割。其调用方法如下：

　　

  //创建一个模型参数对象，用于记录结果

  pcl::ModelCoefficients::Ptr coefficients (new pcl::ModelCoefficients);

  //inliers表示误差能容忍的点 记录的是点云的序号

  pcl::PointIndices::Ptr inliers (new pcl::PointIndices);

  // 创建一个分割器

  pcl::SACSegmentation<pcl::PointXYZ> seg;

  // Optional

  seg.setOptimizeCoefficients (true);

  // Mandatory-设置目标几何形状

  seg.setModelType (pcl::SACMODEL_PLANE);

  //分割方法：随机采样法

  seg.setMethodType (pcl::SAC_RANSAC);

  //设置误差容忍范围

  seg.setDistanceThreshold (0.01);

  //输入点云

  seg.setInputCloud (cloud);

  //分割点云

  seg.segment (*inliers, *coefficients);

　　除了平面以外，PCL几乎支持所有的几何形状。作为点云分割的基础算法，RanSaC很强大且必收敛，可以作为机器人抓取，识别等后续任务的前处理。

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