總結(jié)！三維點(diǎn)云基礎(chǔ)知識

1 三維信息獲取

獲取三維信息的形式一般分為接觸式和非接觸式：

1.1 接觸式測量

使用測量機(jī)來獲取三維信息是最常用也是最方便的接觸式測量方法。但是它比較依賴機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳感器的精度和靈敏度來獲取較高的測量精度。在實(shí)際使用的過程中這種方法存在較多的局限性。測量時(shí)需要接觸待測物體表面，非常容易劃傷物體表面破壞物體原有形貌。機(jī)械零件在長時(shí)間的使用下，會產(chǎn)生一定的誤差，從而降低測量精度。在測量較大工件的時(shí)候，需要完全遍歷整個(gè)物體花費(fèi)時(shí)間和精力。

1.2 非接觸式測量

（1）立體視覺法

該方法具體通過六個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：圖像的采集、系統(tǒng)相機(jī)標(biāo)定、特征模板匹配、圖像處理、三維仿真匹配以及三維重建。首先，通過兩個(gè)相機(jī)于不同位置對待測物體進(jìn)行圖像信息感知獲取。然后根據(jù)三角測量原理獲得待測表面的三維信息，還原三維模型并進(jìn)行重建，立體視覺法原理如圖所示。

但是雙目視覺不適合單調(diào)缺乏紋理的場景，會出現(xiàn)匹配困難導(dǎo)致匹配誤差較大甚至匹配失敗等問題。

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（2）飛行時(shí)間法

飛行時(shí)間法是用激光對物體表面不斷發(fā)射脈沖信號，并對其反射回來的信號進(jìn)行捕獲，計(jì)算激光來回傳播的時(shí)間，接著根據(jù)光度即可確定物體空間位置，原理如圖所示。

飛行時(shí)間測量法有很多優(yōu)點(diǎn)：它可以用來測量較遠(yuǎn)距離的物體的三維信息，適用的范圍較廣，同時(shí)利用激光脈沖信號可以避免系統(tǒng)受到環(huán)境光的影響。但是此方法消耗功率大，會產(chǎn)生大量的熱量以至于不適合長時(shí)間使用。

（3）線激光法

線激光法是使用外部激光線進(jìn)行主動投影,在待測物體表面形成可見光束，然后使用二維相機(jī)進(jìn)行拍攝獲取信息，根據(jù)計(jì)算還原待測物體的三維信息。利用三角測量原理：直射式測距法或是斜射式激光三角測距法，都可以完成對被測物體的全方位、高精度、非接觸測量。直射式激光測量法在測量視野范圍等方面視野更大具有一定的優(yōu)勢。相應(yīng)的斜射式的分辨率更高，圖像質(zhì)量也會高于直射式激光測量法。在需要激光線處于固定位置的時(shí)候則優(yōu)先選用直射式測量法。在對激光線與物體表面位置不固定時(shí)則需要選用斜射式測量法。

直射式光學(xué)三角法原理圖

斜射式光學(xué)三角法原理圖

2 三維數(shù)據(jù)的表達(dá)形式

一般來說，三維數(shù)據(jù)的表達(dá)形式有體素網(wǎng)格、多視圖、點(diǎn)云和多邊形網(wǎng)格。體素網(wǎng)格可以理解為三維立體空間中的體積像素，概念上類似于二維圖像中的像素概念。體素網(wǎng)格是具有固定大小和坐標(biāo)位置的三維網(wǎng)格，是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的規(guī)則化手段。體素網(wǎng)格需要從與其他體素之間的位置關(guān)系中推測出空間位置關(guān)系。由于體素網(wǎng)格具有規(guī)則的結(jié)構(gòu)，所以可對其進(jìn)行卷積操作，也可以構(gòu)建基于體素化點(diǎn)云的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。但點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有無序性和密度不一致性，體素網(wǎng)格的大小難以設(shè)置，又體素的數(shù)量巨大，從而影響處理三維數(shù)據(jù)的效率。

體素網(wǎng)格的表達(dá)形式一般適用于虛擬現(xiàn)實(shí)、醫(yī)療成像白動駕駛等領(lǐng)域。點(diǎn)云是三維空間中非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的集合。點(diǎn)云能夠表達(dá)目標(biāo)在三維空間中的空間分布及表面特性，每個(gè)點(diǎn)是獨(dú)立的，點(diǎn)與點(diǎn)之間沒有顯著的聯(lián)系。點(diǎn)云由一系列包含重要幾何數(shù)據(jù)表示的點(diǎn)集組成。存儲點(diǎn)云數(shù)據(jù)的文件一般只包括三維坐標(biāo)，有些數(shù)據(jù)集會增加顏色和強(qiáng)度等信息。為了后續(xù)處理數(shù)據(jù)更加的高效，存儲點(diǎn)云數(shù)據(jù)的文件一般以ASCII編碼的形式呈現(xiàn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)也可以被處理成一組具有公共坐標(biāo)系和全局參數(shù)的歐幾里德集，該集合對縮放和平移具有不變性。因此可以通過網(wǎng)絡(luò)模型直接提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的全局和局部特征，以實(shí)現(xiàn)各種計(jì)算機(jī)視覺任務(wù)。然而由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)本身缺乏關(guān)聯(lián)性，會導(dǎo)致物體的表面信息會被弱化。點(diǎn)云的表達(dá)形式一般適用于三維重建和目標(biāo)檢測等領(lǐng)域。多邊形網(wǎng)格也是三維空間中非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的集合，是由近似多邊形的幾何面組成。幾何面的交點(diǎn)叫共享頂點(diǎn)，幾何面可以是三角形、四邊形或其他凸多邊形。共享頂點(diǎn)的坐標(biāo)位置和頂點(diǎn)之間的連接關(guān)系會被記錄在表中。多邊形網(wǎng)格的表現(xiàn)形式有利于實(shí)現(xiàn)立體實(shí)物的渲染。但生成多邊形網(wǎng)格是具有挑戰(zhàn)的，主要原因是多邊形網(wǎng)格是非結(jié)構(gòu)化的表現(xiàn)形式，只能用傳統(tǒng)的曲面重建方法生成，無法利用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)生成。

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)特點(diǎn)

（1）非結(jié)構(gòu)化：不同于 RGB 圖片這種結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，點(diǎn)云是三維空間中一系列點(diǎn)的集合，是一種不規(guī)則的數(shù)據(jù)，沒有一種準(zhǔn)確的方法可以確定點(diǎn)與點(diǎn)之間的關(guān)系或者點(diǎn)與點(diǎn)的先后順序，這就使得無法使用常規(guī)的二維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取特征。

（2）順序可變換性：點(diǎn)云本質(zhì)上是一個(gè)n×3的矩陣，其中n為點(diǎn)云個(gè)數(shù)，3 代表每個(gè)點(diǎn)包含x，y，z坐標(biāo)。不論這n個(gè)點(diǎn)的順序怎么變化，它們表示在三維空間中的形狀結(jié)構(gòu)和幾何特征是不變的，如下圖所示，雖然點(diǎn)云中點(diǎn)的順序改變了，但是投影到三維空間中的目標(biāo)大小、形狀等幾何性質(zhì)并未發(fā)生改變。這就使得點(diǎn)云中的點(diǎn)有n！種排列順序，即同一個(gè)目標(biāo)理論上有n！種可以表示它的點(diǎn)云。

（3）旋轉(zhuǎn)不變性：當(dāng)同一個(gè)目標(biāo)在三維坐標(biāo)系中經(jīng)過旋轉(zhuǎn)以后，點(diǎn)云中所有點(diǎn)的坐標(biāo)基本上都會發(fā)生改變，但是旋轉(zhuǎn)前的點(diǎn)云與旋轉(zhuǎn)后的點(diǎn)云所代表的三維目標(biāo)還是相同的。如下圖所示，將三維坐標(biāo)中的點(diǎn)云旋轉(zhuǎn)以后，雖然各點(diǎn)的坐標(biāo)值發(fā)生了變化，但是變化后的點(diǎn)云投影到三維空間中表示的目標(biāo)的大小、形狀等幾何性質(zhì)并未發(fā)生改變。

（4）采樣密度不均勻：由于激光雷達(dá)是以自身為中心放射狀的發(fā)射激光射線，這就導(dǎo)致距離激光雷達(dá)近的目標(biāo)點(diǎn)的密度較大，而離激光雷達(dá)距離較遠(yuǎn)的目標(biāo)點(diǎn)的密度較小，甚至有些目標(biāo)只能獲取幾個(gè)點(diǎn)的信息，如下圖所示，同一個(gè)物體，在距離較近的時(shí)候采樣點(diǎn)數(shù)量多，在距離較遠(yuǎn)的時(shí)候采樣點(diǎn)數(shù)量少。

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