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基于open3d的一些常见点云操作

news 来源：原创 2025/5/1 17:08:02

Open3D 是一个强大的开源库，专门用于处理 3D 数据（如点云、网格等）。以下是 Open3D 中常见的点云操作总结：

1. 点云读取与写入

读取点云：支持常见格式（.ply, .pcd, .xyz, .obj 等）。
```
pcd = o3d.io.read_point_cloud("file.ply")
```

写入点云：

o3d.io.write_point_cloud("output.ply", pcd)

2. 点云可视化

快速可视化：

o3d.visualization.draw_geometries([pcd])

自定义视图：支持调整背景色、点大小、视角等。

3. 点云预处理

下采样（降采样）：

down_pcd = pcd.voxel_down_sample(voxel_size=0.05)

去除离群点：

统计离群点移除：

cl, ind = pcd.remove_statistical_outlier(nb_neighbors=20, std_ratio=2.0)

半径离群点移除：

cl, ind = pcd.remove_radius_outlier(nb_points=16, radius=0.05)

滤波（平滑）：
- 高斯滤波或均值滤波需自定义实现（Open3D 未直接提供）。

4. 点云配准（Registration）

ICP（Iterative Closest Point）：

trans_init = np.identity(4)  # 初始变换矩阵
reg_result = o3d.pipelines.registration.icp(
    source, target, max_distance, trans_init,
    o3d.pipelines.registration.TransformationEstimationPointToPoint())

全局配准：基于特征描述子（如 FPFH）的 RANSAC 初始配准。

5. 点云分割与聚类

平面分割（RANSAC）：

plane_model, inliers = pcd.segment_plane(
    distance_threshold=0.01, ransac_n=3, num_iterations=1000)

DBSCAN 聚类：

labels = np.array(pcd.cluster_dbscan(eps=0.1, min_points=10))

6. 点云变换

旋转/平移/缩放：

pcd.rotate(rotation_matrix, center=(0, 0, 0))
pcd.translate((tx, ty, tz))
pcd.scale(scale_factor, center=(0, 0, 0))

法线估计：

pcd.estimate_normals(search_param=o3d.geometry.KDTreeSearchParamHybrid(radius=0.1, max_nn=30))

7. 点云生成

从深度图生成：

pcd = o3d.geometry.PointCloud.create_from_depth_image(
    depth, intrinsic, extrinsic=(np.identity(4)))

从 RGB-D 数据生成：

pcd = o3d.geometry.PointCloud.create_from_rgbd_image(rgbd_image, intrinsic)

8. 点云特征提取

FPFH 特征（用于配准或识别）：

fpfh = o3d.pipelines.registration.compute_fpfh_feature(
    pcd, o3d.geometry.KDTreeSearchParamHybrid(radius=0.25, max_nn=100))

9. 点云与网格的转换

泊松重建（生成网格）：

mesh, densities = o3d.geometry.TriangleMesh.create_from_point_cloud_poisson(pcd, depth=9)

凸包重建：
```
hull, _ = pcd.compute_convex_hull()
```

10. 其他实用操作

点云拼接：
```
combined_pcd = pcd1 + pcd2
```

计算点云距离：

dist = pcd1.compute_point_cloud_distance(pcd2)

KDTree 加速查询：
```
kdtree = o3d.geometry.KDTreeFlann(pcd)
```

11.具体操作实例

求解外包络
在 Open3D 中，计算点云的最小外包络（Bounding Volume）常用的三种方法包括 AABB（轴对齐包围盒）、OBB（有向包围盒） 和 最小外接球。以下是具体实现方法及代码示例：

1. AABB (Axis-Aligned Bounding Box)
特点：与坐标轴对齐的包围盒，计算速度快，但紧密性较差。
计算方法：直接取点云在 XYZ 轴上的最小/最大值。
代码：

import open3d as o3d
import numpy as np

# 读取点云
pcd = o3d.io.read_point_cloud("point_cloud.ply")

# 计算AABB
aabb = pcd.get_axis_aligned_bounding_box()
aabb.color = (1, 0, 0)  # 设置为红色

# 可视化
o3d.visualization.draw_geometries([pcd, aabb])

2. OBB (Oriented Bounding Box)
特点：考虑点云的主方向，包围更紧密，但计算复杂度较高。
计算方法：基于 PCA（主成分分析）确定最优旋转方向。
代码：

# 计算OBB
obb = pcd.get_oriented_bounding_box()
obb.color = (0, 1, 0)  # 设置为绿色

# 可视化
o3d.visualization.draw_geometries([pcd, obb])

手动实现PCA计算OBB（可选）：

若需自定义，可通过 PCA 计算点云的主轴方向：

# 将点云转换为NumPy数组
points = np.asarray(pcd.points)

# 计算PCA
mean = np.mean(points, axis=0)
cov = np.cov((points - mean).T)
eigenvals, eigenvecs = np.linalg.eig(cov)

# 根据特征向量构造OBB的旋转矩阵
obb = pcd.get_oriented_bounding_box(rot=eigenvecs)  # 需进一步调整

有时候手动计算的主方向并不是我们想要的长宽方向，这时候可以考虑将其投影到2d方向然后再来计算pca主方向，完整操作实例如下，

import open3d as o3d
import numpy as np

def align_pcd_by_projected_pca(pcd):
    # Step 1: 转为 numpy
    pts = np.asarray(pcd.points)
    
    # Step 2: 计算法线方向（最小特征值方向）
    center = np.mean(pts, axis=0)
    pts_centered = pts - center
    cov = np.cov(pts_centered.T)
    eig_vals, eig_vecs = np.linalg.eigh(cov)
    
    # 法线方向是最小特征值方向
    normal = eig_vecs[:, 0]  # 最小特征值方向

    # Step 3: 投影点云到主平面（去掉法线方向）
    normal = normal / np.linalg.norm(normal)
    projection = pts - np.dot(pts - center, normal[:, None]) * normal

    # Step 4: 对投影后的点做 PCA，获得长宽方向
    proj_centered = projection - np.mean(projection, axis=0)
    cov_proj = np.cov(proj_centered.T)
    eig_vals_proj, eig_vecs_proj = np.linalg.eigh(cov_proj)

    # 主方向：最大特征值方向
    main_dir = eig_vecs_proj[:, 2]  # 对应最大特征值

    # 构造新坐标轴（main_dir, cross, normal）
    x_axis = main_dir / np.linalg.norm(main_dir)
    z_axis = normal
    y_axis = np.cross(z_axis, x_axis)
    y_axis = y_axis / np.linalg.norm(y_axis)
    x_axis = np.cross(y_axis, z_axis)  # 保正交
    
    # 构造旋转矩阵 R（世界 -> 对齐空间）
    R = np.stack([x_axis, y_axis, z_axis], axis=1)
    
    # Step 5: 旋转点云
    pcd_aligned = pcd.translate(-center)
    pcd_aligned.rotate(R.T, center=(0, 0, 0))
    
    # Step 6: 在旋转后的空间计算 OBB
    obb = pcd_aligned.get_oriented_bounding_box()

    # Step 7: 逆变换 OBB
    obb.rotate(R, center=(0, 0, 0))
    obb.translate(center)
    
    return obb, R, center

# ==== 可视化 ====
if __name__ == "__main__":
    # 读取点云
    pcd = o3d.io.read_point_cloud("your_point_cloud.ply")

    # 计算对齐后的 obb
    obb, _, _ = align_pcd_by_projected_pca(pcd)

    # 可视化结果
    obb.color = [1, 0, 0]
    o3d.visualization.draw_geometries([pcd, obb])

3. 最小外接球 (Minimum Bounding Sphere)
特点：球形的包围体积，适用于各向同性分布的点云。
计算方法：Open3D 未直接提供最小外接球 API，可借助 scipy.spatial 计算。
代码：

from scipy.spatial import Miniball
import numpy as np

# 将点云转换为NumPy数组
points = np.asarray(pcd.points)

# 计算最小外接球
mb = Miniball(points)
center = mb.center()
radius = np.sqrt(mb.squared_radius())

# 在Open3D中创建球体网格
sphere = o3d.geometry.TriangleMesh.create_sphere(radius=radius)
sphere.translate(center)
sphere.paint_uniform_color((0, 0, 1))  # 设置为蓝色

# 可视化
o3d.visualization.draw_geometries([pcd, sphere])

对比总结

方法	特点	计算复杂度	Open3D支持
AABB	轴对齐，计算快，包围松散	O(n)	直接支持 (`get_axis_aligned_bounding_box`)
OBB	方向自适应，包围紧密	O(n^2)	直接支持 (`get_oriented_bounding_box`)
最小外接球	球形包围，适合均匀分布	O(n^4)	需借助 `scipy.spatial.Miniball`

可视化示例

# 同时显示三种包围盒
aabb.color = (1, 0, 0)  # AABB红色
obb.color = (0, 1, 0)    # OBB绿色
sphere = o3d.geometry.TriangleMesh.create_sphere(radius=radius).translate(center)
sphere.paint_uniform_color((0, 0, 1))  # 球蓝色

o3d.visualization.draw_geometries([pcd, aabb, obb, sphere])