【深度学习初探】Day32 - 三维点云数据基础

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        我们在做 3D 视觉的时候，处理的主要是点云，点云相较于图像有着不可替代的优势，也就是深度值，三维点云直接提供了三维空间的数据，而不需要像二维图像那样通过透视几何反推三维数据。

一、点云的定义

        点云是某个坐标系下的点的集合。这些点包含了丰富的信息，包括三维坐标 X，Y，Z、颜色、分类值、强度值、时间等等。点云在组成特点上分为两种，一种是有序点云，一种是无序点云。

• 有序点云：一般由深度图还原的点云，有序点云按照图方阵一行一行从左上角到右下角排列，其中还会有一些无效点。有序点云按顺序排列，很容易找到它的相邻点信息，在某些处理下还是比较便利的，但是获取有序点云难度很大，在很多情况下是无法获取的。
• 无序点云：无序点云更为常见和普遍，它就是点的集合，点的排列之间无任何顺序，点顺序交换后也不会有任何影响。

二、点云的获取

        见 Day31 。

三、点云的属性

        点云可以表达物体的空间轮廓和具体位置，它本身和视角无关，可以任意旋转，从任何角度和方向观察，不同的点云只要在同一个坐标系下，就可以直接融合。

四、点云的存储格式

        点云存储格式有很多，主要有：pts、LAS、PCD、.xyz 、.pcap 等。

4.1 pts

        pts 格式是最简便的点云格式，直接按 XYZ 顺序存储点云数据，可以是整型或者浮点型。内容就是 XYZ 三维坐标。

4.2 LAS

        LAS 格式是通过激光雷达（LiDAR）扫描得到的，它的格式也有一个统一的规定：

C：class(所属类)，
F：flight(航线号)，
T：time(GPS 时间)，
I：intensity(回波强度)，
R：return(第几次回波)，
N：number of return(回波次数)，
A：scan angle(扫描角)，
RGB：red green blue(RGB 颜色值)。

4.3 PCD

         PCD格式是用于PCL库（一种现有的三维处理较成熟的库）的一种特殊的格式。是 PCL 库官方指定格式，典型的为点云量身定制的格式。优点是支持 n 维点类型扩展机制，能够更好地发挥 PCL 库的点云处理性能。文件格式有文本和二进制两种格式。

4.4 .xyz

         .xzy 相较于pts，多了三列数据，后面三个数字是点的法向量，数字间用空格分隔。

4.5 .pcap

         .pcap是一种通用的数据流格式，现在流行的 Velodyne 公司出品的激光雷达默认采集数据文件格式。它是一种二进制文件。

五、三维点云的表示方法

        点云的表示方法有很多，根据表示方法不同，处理方式也会不同。
         第一种较容易的处理方式是，将其投影为二维图像或转换为三维体素（Voxel），从而将无序的空间点转变为规则的数据排列。
         第二种是使用原始点作为表示，不做任何变换，可以最大限度保留所有原始信息。
         此外，点云还有一种表示，称为网格（Mesh），其可以被看作是构建了局部连接关系的点，即为图。将点云看作图数据，可以使用图领域新兴的图卷积（Graph Convolution）技术进行处理。

5.1 二维投影

        二维投影把点云变为了图像，让卷积神经网络（CNN）应用于点云数据成为可能。

5.2 三维体素

        三维体素其实是对点云的特征提取，将点云体素化（Voxelization），将其转换为空间上规则排布的栅格。然后把二维卷积神经网络拓展一个维度，让它可以处理三维数据，这样的神经网络我们称为三维卷积神经网络（3DCNN），而三维体素可以直接应用在这种表示上（因为其规则排布，可卷积）。

5.3 原始点云

        点云不做处理，直接展示，将点云可视化，可以把数据信息损失降到最低。

5.4 图

        三维点云数据可以看作图数据的一种，而图网络很多思想可以应用于点云处理。因此，图卷积（Graph Convolution Network, GCN）可以用来处理点云数据。GCN 又分支为基于谱的图卷积（Spectralbased GCN）和基于空间的图卷积（Spatial-based GCN）。

六、点云的算法库

        关于点云，现今已经有很多算法库支持处理点云，主流的三维算法库都可以处理。

• PCL（Point Cloud Library）：这个库就是专门处理点云的。可以在多平台部署，本身是一个大型跨平台开源C++ 编程库。它实现了大量点云相关的通用算法和高效数据结构，实现点云相关的获取、滤波、分割、配准、检索、特征提取、识别、追踪、曲面重建、可视化等操作，非常方便移动端开发。
• VCG 库（Visualization and Computer Graphics Library）是专门为处理三角网格而设计的，该库很大，且提供了许多先进的处理网格的功能，以及比较少的点云处理功能（不推荐）。
• CGAL（Computational Geometry Algorithms Library），计算几何算法库，以 C++ 库的形式，提供方便、高效、可靠的几何算法，实现了很多处理点云及处理网格的算法。
• Open3D 是一个可以支持 3D 数据处理软件快速开发的开源库。它最大的优点是支持 Python。它是从一开始就开发出来的，带有很少的、经过仔细考虑的依赖项。从源代码进行最小的编译，代码干净、样式一致。支持点云、网格、RGB-D等数据。