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CloudCompare——拟合空间球

目录

  • 1.拟合球
  • 2.软件操作
  • 3.算法源码
  • 4.相关代码

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本文由CSDN点云侠原创,CloudCompare——拟合空间球,爬虫自重。如果你不是在点云侠的博客中看到该文章,那么此处便是不要脸的爬虫与GPT生成的文章。

1.拟合球

  源码里用到了四点定球,具体计算原理如下

  已知空间内不共面的四个点,设其坐标为 A ( x 1 , y 1 , z 1 ) A(x_1,y_1,z_1) A(x1,y1,z1) B ( x 2 , y 2 , z 2 ) B(x_2,y_2,z_2) B(x2,y2,z2) C ( x 3 , y 3 , z 3 ) 、 D ( x 4 , y 4 , z 4 ) C(x_3,y_3,z_3)、D(x_4,y_4,z_4) C(x3,y3,z3)D(x4,y4,z4),设半径为 r r r,球心 O O O坐标为 ( x , y , z ) (x,y,z) (x,y,z)。利用四点到球心距离相等的性质得到如下四个方程。
( x − x 1 ) 2 + ( y − y 1 ) 2 + ( z − z 1 ) 2 = r 2 ; ( x − x 2 ) 2 + ( y − y 2 ) 2 + ( z − z 2 ) 2 = r 2 ; ( x − x 3 ) 2 + ( y − y 3 ) 2 + ( z − z 3 ) 2 = r 2 ; ( x − x 4 ) 2 + ( y − y 4 ) 2 + ( z − z 4 ) 2 = r 2 ; (x-x_1)^2 + (y-y_1)^2 +(z-z_1)^2 =r^2;\\ (x-x_2)^2 + (y-y_2)^2 +(z-z_2)^2 =r^2;\\ (x-x_3)^2 + (y-y_3)^2 +(z-z_3)^2 =r^2;\\ (x-x_4)^2 + (y-y_4)^2 +(z-z_4)^2 =r^2; (xx1)2+(yy1)2+(zz1)2=r2;(xx2)2+(yy2)2+(zz2)2=r2;(xx3)2+(yy3)2+(zz3)2=r2;(xx4)2+(yy4)2+(zz4)2=r2;

展开得:
x 2 + y 2 + z 2 − 2 ( x 1 x + y 1 y + z 1 z ) + x 1 2 + y 1 2 + z 1 2 = r 2 ① x 2 + y 2 + z 2 − 2 ( x 2 x + y 2 y + z 2 z ) + x 2 2 + y 2 2 + z 2 2 = r 2 ② x 2 + y 2 + z 2 − 2 ( x 3 x + y 3 y + z 3 z ) + x 3 2 + y 3 2 + z 3 2 = r 2 ③ x 2 + y 2 + z 2 − 2 ( x 4 x + y 4 y + z 4 z ) + x 4 2 + y 4 2 + z 4 2 = r 2 ④ x^2 + y^2 + z^2- 2(x_1x+y_1y+z_1z)+x_1^2+y_1^2 + z_1^2 = r^2 ①\\ x^2 + y^2 + z^2- 2(x_2x+y_2y+z_2z)+x_2^2+y_2^2 + z_2^2 = r^2②\\ x^2 + y^2 + z^2- 2(x_3x+y_3y+z_3z)+x_3^2+y_3^2 + z_3^2 = r^2③\\ x^2 + y^2 + z^2- 2(x_4x+y_4y+z_4z)+x_4^2+y_4^2 + z_4^2 = r^2④ x2+y2+z22(x1x+y1y+z1z)+x12+y12+z12=r2x2+y2+z22(x2x+y2y+z2z)+x22+y22+z22=r2x2+y2+z22(x3x+y3y+z3z)+x32+y32+z32=r2x2+y2+z22(x4x+y4y+z4z)+x42+y42+z42=r2

分别作①-②、③ - ④、② - ③得:
( x 1 − x 2 ) x + ( y 1 − y 2 ) y + ( z 1 − z 2 ) z = 1 / 2 ( x 1 2 − x 2 2 + y 1 2 − y 2 2 + z 1 2 − z 2 2 ) ( x 3 − x 4 ) x + ( y 3 − y 4 ) y + ( z 3 − z 4 ) z = 1 / 2 ( x 3 2 − x 4 2 + y 3 2 − y 4 2 + z 3 2 − z 4 2 ) ( x 2 − x 3 ) x + ( y 2 − y 3 ) y + ( z 2 − z 3 ) z = 1 / 2 ( x 2 2 − x 3 2 + y 2 2 − y 3 2 + z 2 2 − z 3 2 ) (x_1-x_2)x+(y_1-y_2)y+(z_1-z_2)z=1/2(x_1^2 -x_2^2 + y_1^2 -y_2^2 + z_1^2 -z_2^2 )\\ (x_3-x_4)x+(y_3-y_4)y+(z_3-z_4)z=1/2(x_3^2 -x_4^2 + y_3^2 -y_4^2 + z_3^2 -z_4^2 )\\ (x_2-x_3)x+(y_2-y_3)y+(z_2-z_3)z=1/2(x_2^2 -x_3^2 + y_2^2 -y_3^2 + z_2^2 -z_3^2 )\\ (x1x2)x+(y1y2)y+(z1z2)z=1/2(x12x22+y12y22+z12z22)(x3x4)x+(y3y4)y+(z3z4)z=1/2(x32x42+y32y42+z32z42)(x2x3)x+(y2y3)y+(z2z3)z=1/2(x22x32+y22y32+z22z32)

其对应的系数行列式可设为:

D = ∣ a b c a 1 b 1 c 1 a 2 b 2 c 2 ∣ D=\left| \begin{matrix} a & b & c\\ a_1 & b_1 & c_1 \\ a_2 & b_2 & c_2 \end{matrix} \right| D= aa1a2bb1b2cc1c2

则: a = ( x 1 − x 2 ) , b = ( y 1 − y 2 ) , c = ( z 1 − z 2 ) , a 1 = ( x 3 − x 4 ) , b 1 = ( y 3 − y 4 ) , c 1 = ( z 3 − z 4 ) , a 2 = ( x 2 − x 3 ) , b 2 = ( y 2 − y 3 ) , c 2 = ( z 2 − z 3 ) a=(x_1-x_2),b=(y_1-y_2),c=(z_1-z_2),\\a_1=(x_3-x_4),b_1=(y_3-y_4),c_1=(z_3-z_4),\\ a_2=(x_2-x_3),b_2=(y_2-y_3),c_2=(z_2-z_3) a=(x1x2),b=(y1y2),c=(z1z2),a1=(x3x4),b1=(y3y4)c1=(z3z4),a2=(x2x3),b2=(y2y3)c2=(z2z3)

常数项行列式为:

L = ∣ P Q R ∣ L=\left| \begin{matrix} P\\ Q \\ R \end{matrix} \right| L= PQR

则:
P = 1 2 ( x 1 2 − x 2 2 + y 1 2 − y 2 2 + z 1 2 − z 2 2 ) P=\frac{1}{2}(x_1^2 -x_2^2 + y_1^2 -y_2^2 + z_1^2 - z_2^2 ) P=21(x12x22+y12y22+z12z22)
Q = 1 2 ( x 3 2 − x 4 2 + y 3 2 − y 4 2 + z 3 2 − z 4 2 ) Q=\frac{1}{2}(x_3^2 -x_4^2 + y_3^2 -y_4^2 + z_3^2 - z_4^2 ) Q=21(x32x42+y32y42+z32z42)
R = 1 2 ( x 2 2 − x 3 2 + y 2 2 − y 3 2 + z 2 2 − z 3 2 ) R=\frac{1}{2}(x_2^2 -x_3^2 + y_2^2 -y_3^2 + z_2^2 - z_3^2 ) R=21(x22x32+y22y32+z22z32)

现设:
D x = ∣ P b c Q b 1 c 1 R b 2 c 2 ∣ Dx=\left| \begin{matrix} P & b & c\\ Q & b_1 & c_1 \\ R & b_2 & c_2 \end{matrix} \right| Dx= PQRbb1b2cc1c2

D y = ∣ a P c a 1 Q c 1 a 2 R c 2 ∣ Dy=\left| \begin{matrix} a & P & c\\ a_1 & Q & c_1 \\ a_2 &R & c_2 \end{matrix} \right| Dy= aa1a2PQRcc1c2

D z = ∣ a b P a 1 b 1 Q a 2 b 2 R ∣ Dz=\left| \begin{matrix} a & b & P\\ a_1 & b_1 & Q \\ a_2 &b_2 & R \end{matrix} \right| Dz= aa1a2bb1b2PQR

由线性代数中的克拉默法则可知:
x = D x D x=\frac{Dx}{D} x=DDx

y = D y D y=\frac{Dy}{D} y=DDy

z = D z D z=\frac{Dz}{D} z=DDz

2.软件操作

  通过菜单栏的'Tools > Fit > Sphere'找到该功能。
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  选择一个或多个点云,然后启动此工具。CloudCompare将在每个点云上拟合球体基元。在控制台中,将输出以下信息:

  • center(也可以在球体实体属性中找到球体边界框的中心)
  • radius(也可以在sphere实体属性中找到)
  • 球体拟合RMS(在默认球体实体名称中调用)注意:理论上球体拟合算法可以处理高达50%的异常值。

球形点云
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拟合结果
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控制台输出
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3.算法源码

GeometricalAnalysisTools::ErrorCode GeometricalAnalysisTools::DetectSphereRobust(GenericIndexedCloudPersist* cloud,double outliersRatio,CCVector3& center,PointCoordinateType& radius,double& rms,GenericProgressCallback* progressCb/*=nullptr*/,double confidence/*=0.99*/,unsigned seed/*=0*/)
{if (!cloud){assert(false);return InvalidInput;}unsigned n = cloud->size();if (n < 4)return NotEnoughPoints;assert(confidence < 1.0);confidence = std::min(confidence, 1.0 - FLT_EPSILON);//we'll need an array (sorted) to compute the mediansstd::vector<PointCoordinateType> values;try{values.resize(n);}catch (const std::bad_alloc&){//not enough memoryreturn NotEnoughMemory;}//number of samplesunsigned m = 1;const unsigned p = 4;if (n > p){m = static_cast<unsigned>(log(1.0 - confidence) / log(1.0 - pow(1.0 - outliersRatio, static_cast<double>(p))));}//for progress notificationNormalizedProgress nProgress(progressCb, m);if (progressCb){if (progressCb->textCanBeEdited()){char buffer[64];sprintf(buffer, "Least Median of Squares samples: %u", m);progressCb->setInfo(buffer);progressCb->setMethodTitle("Detect sphere");}progressCb->update(0);progressCb->start();}//now we are going to randomly extract a subset of 4 points and test the resulting sphere each timeif (seed == 0){std::random_device randomGenerator;   // non-deterministic generatorseed = randomGenerator();}std::mt19937 gen(seed);  // to seed mersenne twister.std::uniform_int_distribution<unsigned> dist(0, n - 1);unsigned sampleCount = 0;unsigned attempts = 0;double minError = -1.0;std::vector<unsigned> indexes;indexes.resize(p);while (sampleCount < m && attempts < 2*m){//get 4 random (different) indexesfor (unsigned j = 0; j < p; ++j){bool isOK = false;while (!isOK){indexes[j] = dist(gen);isOK = true;for (unsigned k = 0; k < j && isOK; ++k)if (indexes[j] == indexes[k])isOK = false;}}assert(p == 4);const CCVector3* A = cloud->getPoint(indexes[0]);const CCVector3* B = cloud->getPoint(indexes[1]);const CCVector3* C = cloud->getPoint(indexes[2]);const CCVector3* D = cloud->getPoint(indexes[3]);++attempts;CCVector3 thisCenter;PointCoordinateType thisRadius;if (ComputeSphereFrom4(*A, *B, *C, *D, thisCenter, thisRadius) != NoError)continue;//compute residualsfor (unsigned i = 0; i < n; ++i){PointCoordinateType error = (*cloud->getPoint(i) - thisCenter).norm() - thisRadius;values[i] = error*error;}const unsigned int	medianIndex = n / 2;std::nth_element(values.begin(), values.begin() + medianIndex, values.end());//the error is the median of the squared residualsdouble error = static_cast<double>(values[medianIndex]);//we keep track of the solution with the least errorif (error < minError || minError < 0.0){minError = error;center = thisCenter;radius = thisRadius;}++sampleCount;if (progressCb && !nProgress.oneStep()){//progress canceled by the userreturn ProcessCancelledByUser;}}//too many failures?!if (sampleCount < m){return ProcessFailed;}//last step: robust estimationReferenceCloud candidates(cloud);if (n > p){//e robust standard deviation estimate (see Zhang's report)double sigma = 1.4826 * (1.0 + 5.0 /(n-p)) * sqrt(minError);//compute the least-squares best-fitting sphere with the points//having residuals below 2.5 sigmadouble maxResidual = 2.5 * sigma;if (candidates.reserve(n)){//compute residuals and select the pointsfor (unsigned i = 0; i < n; ++i){PointCoordinateType error = (*cloud->getPoint(i) - center).norm() - radius;if (error < maxResidual)candidates.addPointIndex(i);}candidates.resize(candidates.size());//eventually estimate the robust sphere parameters with least squares (iterative)if (RefineSphereLS(&candidates, center, radius)){//replace input cloud by this subset!cloud = &candidates;n = cloud->size();}}else{//not enough memory!//we'll keep the rough estimate...}}//update residuals{double residuals = 0;for (unsigned i = 0; i < n; ++i){const CCVector3* P = cloud->getPoint(i);double e = (*P - center).norm() - radius;residuals += e*e;}rms = sqrt(residuals/n);}return NoError;
}

4.相关代码

[1]C++实现:PCL RANSAC拟合空间3D球体
[2]python实现:Open3D——RANSAC三维点云球面拟合
[3] Open3D 最小二乘拟合球
[4] Open3D 非线性最小二乘拟合球

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