點(diǎn)云濾波器與過濾器
發(fā)布時(shí)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(diǎn)云濾波，讀者可能會(huì)有疑問，為什么要分為深度圖濾波波和點(diǎn)云濾波?深度圖濾波是對(duì)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(diǎn)云濾波針對(duì)的是將深度圖投射到3D空間后得到的點(diǎn)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(gè)簡(jiǎn)單的例子，一個(gè)深度圖中像素被噪聲干擾變成離群點(diǎn)，其在深度圖中難以區(qū)分，而投射到3D空間以后，離群點(diǎn)距離其他點(diǎn)都很遠(yuǎn)，則很容易將其濾除。
在獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，由于設(shè)備精度、操作者經(jīng)驗(yàn)、環(huán)境因素的影響，以及電磁波的行射特性、被測(cè)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(diǎn)云數(shù)據(jù)將不可避免地受到噪聲干擾。在點(diǎn)云處理流程中，濾波處理作為預(yù)處理的第一步，對(duì)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(diǎn)、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(kù)中的點(diǎn)云濾波模塊提供了很多靈活實(shí)用的濾波處理算法，我們根據(jù)對(duì)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(huì)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(jì)過濾器、半徑過濾器、直通過濾器；而濾波器則是對(duì)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(shí)現(xiàn)下采樣，減少點(diǎn)的數(shù)量，同時(shí)保留點(diǎn)云的形狀特征，在提高配準(zhǔn)、曲面重建、形狀識(shí)別等方面非常實(shí)用。點(diǎn)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(huì)破壞點(diǎn)云微觀結(jié)構(gòu)。體素濾波操作者先針對(duì)輸入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個(gè) 3D體素柵格來容納像素，在每個(gè)體素內(nèi)，用體素中所有點(diǎn)的重心來近似表示體素中其他點(diǎn)，這樣該體素內(nèi)所有點(diǎn)都用一個(gè)重心點(diǎn)最終表示，對(duì)所有體素都進(jìn)行這樣的處理后，得到的就是過濾后的點(diǎn)云。
統(tǒng)計(jì)過濾器
統(tǒng)計(jì)過濾器使用統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)，從一個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中集中移除測(cè)量噪聲(離群點(diǎn))。例如，激光掃描通常會(huì)產(chǎn)生密度不均勻的點(diǎn)云數(shù)據(jù)集，另外測(cè)量中的誤差也會(huì)造成稀疏的離群點(diǎn)，使效果不好，反過來就會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)云配準(zhǔn)等后期處理的失敗。可以理解為，每個(gè)點(diǎn)都表達(dá)一定的信息，某個(gè)區(qū)域的點(diǎn)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(diǎn)表達(dá)的信息可以忽略不計(jì)。考慮到離群點(diǎn)的特征，可以定義:若某處點(diǎn)云密度小于某個(gè)值，則點(diǎn)云無效。我們可以對(duì)每個(gè)點(diǎn)的鄰域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并移除一些不符合標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)，稀疏離群點(diǎn)的移除基于在輸入數(shù)據(jù)中對(duì)點(diǎn)到其臨近點(diǎn)的距離的計(jì)算，對(duì)于每個(gè)點(diǎn)，計(jì)算它到它的所有臨近點(diǎn)的平均距離，假設(shè)得到的結(jié)果是一個(gè)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(diǎn)可以定義為離群點(diǎn)并從數(shù)據(jù)中去除。
半徑過濾器
半徑濾波器與統(tǒng)計(jì)濾波器相比更加簡(jiǎn)單粗暴。以某點(diǎn)為中心畫一個(gè)半徑為d的球，計(jì)算落在該球中點(diǎn)的數(shù)量，當(dāng)數(shù)量大于給定閾值時(shí)，保留該點(diǎn)，否則剔除該點(diǎn)。此算法運(yùn)行速度快，依序迭代留下的點(diǎn)一定是最密集的，但是球的半徑和球內(nèi)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)可使用直通過濾器，確定點(diǎn)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(diǎn)，達(dá)到第一步粗處理的目的。通過濾器可以簡(jiǎn)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(duì)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(jí)，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(shì)，可實(shí)現(xiàn)高效率機(jī)器人引導(dǎo)，以及工業(yè)檢測(cè)與測(cè)量。顯揚(yáng)科技的產(chǎn)品主要應(yīng)用在對(duì)采集速度要求較高的快速工業(yè)產(chǎn)線、物流樞紐以及對(duì)測(cè)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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