PrimeSense 三维重建开发小谈 (2) - 基于灰度特征的关系对配准算法

1 综述

　　与多点云处理有关的任务，点云的配准（Registration）是一个绕不开的问题。如何采用适当的算法，对特定的点云数据进行相对更优的配准，是点云配准过程中的关键任务。

　　配准结果通常被表达为一个代表缩放，旋转，平移的刚体变换的矩阵，该矩阵代表了两个点云的位置关系，即将其中一个点云（源点云，Source）施以这个刚体变换可以使它与另一个点云（目标点云，Target）配准。

图 1   目标点云（Target）

图 2   源点云（Source）

图 3   配准结果（该结果即通过本文所述的算法实现）

　　配准算法主要分为两类，一类采用迭代法，利用逐步逼近的方法使配准结果逐步趋于最优，常用于两个点云的位置相差不大的场合下的精确配准；一类通过确定两个点云的点的对应关系（分别在两个点云中映射的在实际空间中“相同的”点）并根据这些点对确定两幅点云的位置关系，常用于原始位置相差较大的粗略配准。本文所述的基于灰度特征的配准算法属于第二类。

　　部分针对点云进行配准的判据大多针对三维形状特征。对于缺乏三维形状特征的点云来说（例如图 2），该类型的配准通常不会获得理想的效果。但是，基于 RGB-D 传感器可以获得二维彩色点阵图片的特点，通过二维特征确定点云位置关系，是解决这一问题的一个思路。这也是本文所述的基于灰度特征的关系对配准算法的主要原理。

2 源代码

　　为了描述上的方便，我们使用函数

void getGrayScaleRegMatrix(const Cloud &cloud_target, const Cloud &cloud_source, Matrix &matrix);

代表算法执行的入口，配准结果输出在 matrix 中。其中，Cloud / CloudPtr 是点云库 PCL 中的点云类和点云类的 boost 指针，Point 是 PCL 的点类，Matrix 是矩阵类型（常用 Eigen::Matrix4f）。

P.S. 该函数使用 void 作为函数返回的原因，是 Eigen 线性代数类库强烈建议不使用 pass-by-value 传递方法。不仅因为这一方法本身不在 C++ 的这种场合下被建议，同时，使用 pass-by-value 会因为编译器的数据类型对齐特性造成致命的运行时错误。此处，调用该函数的代码应保证存储结果的矩阵已经被事先分配内存。（参考：http://eigen.tuxfamily.org/dox-devel/TopicUnalignedArrayAssert.html）

//Surf_Threshold 是限定提取特征阈值的常量；Max_Remove_Threshold 是限定最大距离阈值的常量。详见下面的代码。
const double Max_Remove_Threshold = 750;
const int Surf_Threshold = 750;

//获取点云对应的二维点阵图信息。
IplImage* getIplImage(const CloudPtr &input_cloud)
{
    //创建图像。
    IplImage *image = cvCreateImage(cvSize((*input_cloud).width, (*input_cloud).height), IPL_DEPTH_8U, 3);
    //填充图像。
    cv::Scalar pixel;
    for (int i = 0; i < (*image).height; i++)
    {
        for (int j = 0; j < (*image).width; j++)
        {
            pixel.val[0] = (*input_cloud).points[i*(*image).width + j].b;
            pixel.val[1] = (*input_cloud).points[i*(*image).width + j].g;
            pixel.val[2] = (*input_cloud).points[i*(*image).width + j].r;
            cvSet2D(image, i, j, pixel);
        }
    }
    //返回创建的图像。
    return image;
}

//配准主函数。
void getGrayScaleRegMatrix(const CloudPtr &cloud_target, const CloudPtr &cloud_source, Matrix &matrix)
{
    //获取原始点云对应的二维点阵图信息。参考 getIplImage 函数。
    IplImage *oriImageTarget = getIplImage(cloud_target);
    IplImage *oriImageSource = getIplImage(cloud_source);

    //将原始图像转换为灰度图像，备 SURF 特征点提取使用。
    IplImage *grayImageTarget = cvCreateImage(cvGetSize(oriImageTarget), IPL_DEPTH_8U, 1);
    cvCvtColor(oriImageTarget, grayImageTarget, CV_RGB2GRAY);
    IplImage *grayImageSource = cvCreateImage(cvGetSize(oriImageSource), IPL_DEPTH_8U, 1);
    cvCvtColor(oriImageSource, grayImageSource, CV_RGB2GRAY);

    //提取 SURF 特征点，并存入 keypointsTarget 和 keypointsSource 向量。Surf_Threshold 是限定提取特征阈值的常量。
    cv::SurfFeatureDetector detector(Surf_Threshold);
    std::vector<cv::KeyPoint> keypointsTarget;
    detector.detect(grayImageTarget, keypointsTarget);
    std::vector<cv::KeyPoint> keypointsSource;
    detector.detect(grayImageSource, keypointsSource);

    //计算 SURF 特征点的描述符。
    cv::SurfDescriptorExtractor extractor;
    cv::Mat descriptorsSource, descriptorsTarget;
    extractor.compute(grayImageTarget, keypointsTarget, descriptorsTarget);
    extractor.compute(grayImageSource, keypointsSource, descriptorsSource);

    //将两幅点云的描述符通过 Flann 算法进行特征点的关系对应。
    cv::FlannBasedMatcher matcher;
    std::vector<cv::DMatch> matches;
    matcher.match(descriptorsSource, descriptorsTarget, matches);

    //获得对应关系列表。
    std::vector<cv::Point2f> sourcePoints;
    std::vector<cv::Point2f> targetPoints;
    for (int i = 0; i < matches.size(); i++)
    {
        sourcePoints.push_back(keypointsSource[matches[i].queryIdx].pt);
        targetPoints.push_back(keypointsTarget[matches[i].trainIdx].pt);
    }

    //使用 RANSAC 算法进行错误对应关系的去除。特征点对的保留与丢弃结果存储在 m_RANSACStatus 中。
    std::vector<uchar> m_RANSACStatus;
    cv::findHomography(sourcePoints, targetPoints, CV_RANSAC, 3.0, m_RANSACStatus);

    //创建 PCL 适用的关系列表。
    pcl::Correspondences correspondences;
    correspondences.empty();

    int temp_x_target, temp_y_target, temp_index_target, temp_x_source, temp_y_source, temp_index_source;
    for (int i = 0; i < matches.size(); i++)
    {
        if (m_RANSACStatus[i] == 1) //保留的对应点对。
        {
            //四舍五入计算X、Y坐标，并计算其在点云中存储的位置。
            temp_x_target = (int)(targetPoints[i].x + 0.5);
            temp_y_target = (int)(targetPoints[i].y + 0.5);
            temp_index_target = temp_y_target * (*grayImageTarget).width + temp_x_target;

            temp_x_source = (int)(sourcePoints[i].x + 0.5);
            temp_y_source = (int)(sourcePoints[i].y + 0.5);
            temp_index_source = temp_y_source * (*grayImageSource).width + temp_x_source;

            //若特征点对在三维点云中没有对应的空间点（没有深度信息）则不考虑该对应关系。
            if ((*cloud_source).points[temp_index_source].z != (*cloud_source).points[temp_index_source].z)
                continue;
            if ((*cloud_target).points[temp_index_target].z != (*cloud_target).points[temp_index_target].z)
                continue;

            //存储对应关系。
            pcl::Correspondence correspondence;
            correspondence.index_query = temp_index_source;
            correspondence.index_match = temp_index_target;
            correspondences.push_back(correspondence);
        }
    }

    //利用点云的空间特点，如果对应关系的相差距离过大，则去除该关系。Max_Remove_Threshold 是限定最大距离阈值的常量。
    for (int i = 0;;)
    {
        if (i == correspondences.size())
            break;
        if (Utils::getDistance((*cloud_target).points[correspondences[i].index_match], (*cloud_source).points[correspondences[i].index_query]) > Max_Remove_Threshold)
        {
            correspondences.erase(correspondences.begin() + i);
        }
        else
            i++;
    }
    
    //根据对应关系计算变换矩阵。
    pcl::registration::TransformationEstimationLM<Point, Point> estimation;
    estimation.estimateRigidTransformation((*cloud_source), (*cloud_target), correspondences, matrix);
}

3 算法待改进点

　　对于灰度 SURF 特征点及对应关系的确定，还可以对特征点的选取和关系的确定进行进一步的优化，避免严重错误的配准结果的出现。

　　从工程角度，上述代码对于特殊条件下可能出现的极端结果没有进行必要的处理。

4 参考文献

　　OpenCV Feature Description http://docs.opencv.org/doc/tutorials/features2d/feature_description/feature_description.html

　　OpenCV学习笔记（九）——2维特征Feature2D http://blog.csdn.net/yang_xian521/article/details/6901762

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20141019 V1.0版