PCL—低层次视觉—点云分割（超体聚类）

1.超体聚类——一种来自图像的分割方法

　　超体（supervoxel）是一种集合，集合的元素是“体”。与体素滤波器中的体类似，其本质是一个个的小方块。与之前提到的所有分割手段不同，超体聚类的目的并不是分割出某种特定物体，其对点云实施过分割(over segmentation)，将场景点云化成很多小块，并研究每个小块之间的关系。这种将更小单元合并的分割思路已经出现了有些年份了，在图像分割中，像素聚类形成超像素，以超像素关系来理解图像已经广为研究。本质上这种方法是对局部的一种总结，纹理，材质，颜色类似的部分会被自动的分割成一块，有利于后续识别工作。比如对人的识别，如果能将头发，面部，四肢，躯干分开，则能更好的对各种姿态，性别的人进行识别。

　　点云和图像不一样，其不存在像素邻接关系。所以，超体聚类之前，必须以八叉树对点云进行划分，获得不同点团之间的邻接关系。与图像相似点云的邻接关系也有很多，如面邻接，线邻接，点邻接。其具体解释如下图：

　　基于超体聚类的点云分割，使用点邻接（蓝色）作为相邻判据。

2.超体聚类的实现步骤

　举个简单的例子来体会下超体聚类，其过程和结晶类似。但不是水结晶成冰，而是盐溶液过饱和状态下的多晶核结晶。所有的晶核(seed)同时开始生长，最终填满整个空间，使物质具有晶体结构。　超体聚类实际上是一种特殊的区域生长算法，和无限制的生长不同，超体聚类首先需要规律的布置区域生长“晶核”。晶核在空间中实际上是均匀分布的,并指定晶核距离（Rseed)。再指定粒子距离(Rvoxel)。再指定最小晶粒(MOV)，过小的晶粒需要融入最近的大晶粒。关系如图所示：

　　有了晶粒和结晶范围之后，我们只需要控制结晶过程，就能将整个空间划分开了。结晶过程的本质就是不断吸纳类似的粒子（八分空间）。类似是一个比较模糊的概念，关于类似的定义有以下公式：

 

　　公式中的Dc,表示颜色上的差异，Dn表示法线上的差异，Ds代表点距离上的差异。w_*表示一系列权重。用于控制结晶形状。在晶核周围寻找一圈，D最小的体素被认为是下一个“被发展的党员”。需要注意的是，结晶过程并不是长完一个晶核再长下一个，二是所有的晶核同时开始生长（虽然计算机计算时必然有先后，但从层次上来说是同时的）。其生长顺序如下图所示：

　　接下来所有晶核继续公平竞争，发展第二个“党员”，以此循环，最终所有晶体应该几乎同时完成生长。整个点云也被晶格所分割开来。并且保证了一个晶包里的粒子都是类似的。

3.PCL对超体聚类的实现

  //设定结晶参数
  float voxel_resolution = 0.008f;
  float seed_resolution = 0.1f;
  float color_importance = 0.2f;
  float spatial_importance = 0.4f;
  float normal_importance = 1.0f;
  
  //生成结晶器
  pcl::SupervoxelClustering<PointT> super (voxel_resolution, seed_resolution);
  //和点云形式有关
  if (disable_transform)
    super.setUseSingleCameraTransform (false);
  //输入点云及结晶参数
  super.setInputCloud (cloud);
  super.setColorImportance (color_importance);
  super.setSpatialImportance (spatial_importance);
  super.setNormalImportance (normal_importance);
  //输出结晶分割结果：结果是一个映射表
 std::map <uint32_t, pcl::Supervoxel<PointT>::Ptr > supervoxel_clusters;
  super.extract (supervoxel_clusters);
  //获得晶体中心
  PointCloudT::Ptr voxel_centroid_cloud = super.getVoxelCentroidCloud ();
  //获得晶体
  PointLCloudT::Ptr labeled_voxel_cloud = super.getLabeledVoxelCloud ();

 　　执行上诉过程后，会将晶体映射成一系列数。数代表的是指向各个晶体的指针。可以通过getter函数，把晶体有关的信息拖出来。拖出来的是点云。

  //将相连的晶体中心连起来并显示 

  std::multimap<uint32_t, uint32_t> supervoxel_adjacency;
  super.getSupervoxelAdjacency (supervoxel_adjacency);
  std::multimap<uint32_t,uint32_t>::iterator label_itr = supervoxel_adjacency.begin ();

for ( ; label_itr != supervoxel_adjacency.end (); )
  {
    //First get the label
    uint32_t supervoxel_label = label_itr->first;
    //Now get the supervoxel corresponding to the label
    pcl::Supervoxel<PointT>::Ptr supervoxel = supervoxel_clusters.at (supervoxel_label);

    //Now we need to iterate through the adjacent supervoxels and make a point cloud of them
    PointCloudT adjacent_supervoxel_centers;
    std::multimap<uint32_t,uint32_t>::iterator adjacent_itr = supervoxel_adjacency.equal_range (supervoxel_label).first;
    for ( ; adjacent_itr!=supervoxel_adjacency.equal_range (supervoxel_label).second; ++adjacent_itr)
    {
      pcl::Supervoxel<PointT>::Ptr neighbor_supervoxel = supervoxel_clusters.at (adjacent_itr->second);
      adjacent_supervoxel_centers.push_back (neighbor_supervoxel->centroid_);
    }
    //Now we make a name for this polygon
    std::stringstream ss;
    ss << "supervoxel_" << supervoxel_label;
    //This function is shown below, but is beyond the scope of this tutorial - basically it just generates a "star" polygon mesh from the points given
    addSupervoxelConnectionsToViewer (supervoxel->centroid_, adjacent_supervoxel_centers, ss.str (), viewer);
    //Move iterator forward to next label
    label_itr = supervoxel_adjacency.upper_bound (supervoxel_label);
  }

       至此，生成了不同的晶体之间的邻接关系。结果如下所示（不同晶核距离0.1m,0.05m)

　　此方法主要为识别做前期准备，但我认为，这种东西用在三维视觉+有限元倒是极好的。可以在不使用应变片的前提下对物体各个部分应变进行直接测量。在已知力的情况下可以建立物体刚度和应变的关系，貌似钢包回转台的手里分析可以这样解决。蛋疼的是实际工业机械哪有那么多花花绿绿的给你分割，很难形成有效的对应点匹配。