點云濾波器與過濾器
發(fā)布時間：2022-09-12 13:57:31 作者：顯揚(yáng)科技
這一節(jié)將為大家介紹點云濾波，讀者可能會有疑問，為什么要分為深度圖濾波波和點云濾波?深度圖濾波是對深度圖進(jìn)行處理，通常處理的的是深度圖中相鄰的像素，而點云濾波針對的是將深度圖投射到3D空間后得到的點云，通常處理的是在3D空間中根據(jù)歐式距離得到的鄰近區(qū)域，而且能更有效地利用其3D幾何特征。舉個簡單的例子，一個深度圖中像素被噪聲干擾變成離群點，其在深度圖中難以區(qū)分，而投射到3D空間以后，離群點距離其他點都很遠(yuǎn)，則很容易將其濾除。
在獲取點云數(shù)據(jù)時，由于設(shè)備精度、操作者經(jīng)驗、環(huán)境因素的影響，以及電磁波的行射特性、被測物體表面性質(zhì)變化和數(shù)據(jù)拼接配準(zhǔn)操作的影響，點云數(shù)據(jù)將不可避免地受到噪聲干擾。在點云處理流程中，濾波處理作為預(yù)處理的第一步，對后續(xù)的影響比較大，只有在濾波預(yù)處理中將噪聲、離群點、孔洞等按照后續(xù)需求進(jìn)行處理，才能夠更好地進(jìn)行配準(zhǔn)、特征提取、曲面重建、可視化等。PCL 庫中的點云濾波模塊提供了很多靈活實用的濾波處理算法，我們根據(jù)對數(shù)據(jù)處理形式的不同將其分為濾波器和過濾器兩類，許多參考資料不會區(qū)分二者的概念，為避免混淆，將其明確分類。過濾器指通過設(shè)置某種條件，刪除不符合條件的數(shù)據(jù)，保留符合條件的數(shù)據(jù)，如統(tǒng)計過濾器、半徑過濾器、直通過濾器；而濾波器則是對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理修正，如體素濾波器。
體素濾波器
使用體素網(wǎng)格實現(xiàn)下采樣，減少點的數(shù)量，同時保留點云的形狀特征，在提高配準(zhǔn)、曲面重建、形狀識別等方面非常實用。點云幾何結(jié)構(gòu)不僅包括宏觀的幾何外形，也包括微觀的排列方式，如橫向相似的尺寸、縱向相同的距離。隨機(jī)下采樣祥雖然效率比體素教濾波器高，但會破壞點云微觀結(jié)構(gòu)。體素濾波操作者先針對輸入的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個 3D體素柵格來容納像素，在每個體素內(nèi)，用體素中所有點的重心來近似表示體素中其他點，這樣該體素內(nèi)所有點都用一個重心點最終表示，對所有體素都進(jìn)行這樣的處理后，得到的就是過濾后的點云。
統(tǒng)計過濾器
統(tǒng)計過濾器使用統(tǒng)計分析技術(shù)，從一個點云數(shù)據(jù)中集中移除測量噪聲(離群點)。例如，激光掃描通常會產(chǎn)生密度不均勻的點云數(shù)據(jù)集，另外測量中的誤差也會造成稀疏的離群點，使效果不好，反過來就會導(dǎo)致點云配準(zhǔn)等后期處理的失敗。可以理解為，每個點都表達(dá)一定的信息，某個區(qū)域的點越密集，信息量就可能越大。噪聲信息屬于無用信息，所以離群點表達(dá)的信息可以忽略不計。考慮到離群點的特征，可以定義:若某處點云密度小于某個值，則點云無效。我們可以對每個點的鄰域進(jìn)行統(tǒng)計分析，并移除一些不符合標(biāo)準(zhǔn)的點，稀疏離群點的移除基于在輸入數(shù)據(jù)中對點到其臨近點的距離的計算，對于每個點，計算它到它的所有臨近點的平均距離，假設(shè)得到的結(jié)果是一個高斯分布，其形狀是由均值和標(biāo)準(zhǔn)差決定的，平均距離在標(biāo)準(zhǔn)范圍之外的點可以定義為離群點并從數(shù)據(jù)中去除。
半徑過濾器
半徑濾波器與統(tǒng)計濾波器相比更加簡單粗暴。以某點為中心畫一個半徑為d的球，計算落在該球中點的數(shù)量，當(dāng)數(shù)量大于給定閾值時，保留該點，否則剔除該點。此算法運(yùn)行速度快，依序迭代留下的點一定是最密集的，但是球的半徑和球內(nèi)點的數(shù)量閾值都需要人工指定。
直通過濾器
如果使用線結(jié)構(gòu)光掃描的方式采集點云，物體必然沿z方向分布較廣，但在x、y方向上的分布則處于有限范圍內(nèi)。此時可使用直通過濾器，確定點云在x方向或y方向上的范圍，這樣就可以較快去除離群點，達(dá)到第一步粗處理的目的。通過濾器可以簡單理解為3D空間切塊過濾器。
顯揚(yáng)科技由香港中文大學(xué)博士團(tuán)隊創(chuàng)建，主要研究并產(chǎn)業(yè)化高速高清三維機(jī)器視覺系統(tǒng)，以及智能工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。其研發(fā)的三維機(jī)器視覺設(shè)備精度能達(dá)亞微米級，三維數(shù)據(jù)采集幀率高達(dá)310幀，此外還具有高精度、大景深、高穩(wěn)定性的優(yōu)勢，可實現(xiàn)高效率機(jī)器人引導(dǎo)，以及工業(yè)檢測與測量。顯揚(yáng)科技的產(chǎn)品主要應(yīng)用在對采集速度要求較高的快速工業(yè)產(chǎn)線、物流樞紐以及對測量精度要求高的精密制造、軍工航天、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)等。
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