MATLAB点云处理（十四）：圆柱体拟合（RANSAC | MSAC）

Posted 2021-08-29 没事就要敲代码

文章目录

• • 1 圆柱体拟合函数 pcfitcylinder
  • 2 代码实现
  • • 2.1 model = pcfitcylinder(ptCloudIn,maxDistance)
    • 2.2 model = pcfitcylinder(ptCloudIn,maxDistance,referenceVector)
    • 2.3 model = pcfitcylinder(ptCloudIn,maxDistance,referenceVector,maxAngularDistance)
    • 2.4 [model,inlierIndices,outlierIndices] = pcfitcylinder(ptCloudIn,maxDistance) ★★★
    • 2.5 [model,inlierIndices,outlierIndices,meanError] = pcfitcylinder(ptCloudIn,maxDistance)
  • 3 注意

1 圆柱体拟合函数 pcfitcylinder

pcfitcylinder — 从三维点云中拟合圆柱体

此函数使用M-估计样本一致性（ M-estimator SAmple Consensus ，MSAC）算法来查找圆柱体。MSAC算法是一种改进的RANSAC算法

主要有 5 种重载方式

NO.1 给定点云ptCloudIn，设置内点到模型的最大距离maxDistance，并返回模型系数model

model = pcfitcylinder(ptCloudIn,maxDistance)

NO.2 给定点云ptCloudIn，设置内点到模型的最大距离maxDistance、圆柱体参考方向向量referenceVector $[l,m,n]$，并返回模型系数model

model = pcfitcylinder(ptCloudIn,maxDistance,referenceVector)

NO.3 给定点云ptCloudIn，设置内点到模型的最大距离maxDistance、圆柱体参考方向向量referenceVector $[l,m,n]$、角度约束maxAngularDistance，并返回模型系数model

model = pcfitcylinder(ptCloudIn,maxDistance,referenceVector,maxAngularDistance)

指定拟合圆柱体轴线方向向量与参考方向向量referenceVector的最大角度距离maxAngularDistance。单位：角度（°），默认 5°

NO.4 给定点云ptCloudIn，设置内点到模型的最大距离maxDistance，并返回模型系数model、内点索引inlierIndices、外点索引outlierIndices

[model,inlierIndices,outlierIndices] = pcfitcylinder(ptCloudIn,maxDistance)

NO.5 给定点云ptCloudIn，设置内点到模型的最大距离maxDistance，并返回模型系数model、内点索引inlierIndices、外点索引outlierIndices，以及模型拟合的平均误差meanError

[model,inlierIndices,outlierIndices,meanError] = pcfitcylinder(ptCloudIn,maxDistance)

2 代码实现

2.1 model = pcfitcylinder(ptCloudIn,maxDistance)

点云圆柱体拟合，当存在多个圆柱体时，返回点数最大的那个圆柱体。

代码：

clc;
clear;

% 加载点云
ptCloud_in = pcread('test.pcd');

% 可视化
pcshow(ptCloud_in);
title('包含圆柱体的点云')
xlabel('X(m)');
ylabel('Y(m)');
zlabel('Z(m)');

% 设置点到圆柱体的最大距离
maxDistance = 0.05;

% 执行圆柱体拟合
model = pcfitcylinder(ptCloud_in,maxDistance)

输出结果：

model = 

  cylinderModel - 属性:

     Parameters: [0.0088 0.0269 -0.0097 -0.0060 -0.0211 5.0098 0.9943]
         Center: [0.0014 0.0029 2.5000]
    Orientation: [-0.0148 -0.0480 5.0195]
         Height: 5.0197
         Radius: 0.9943

其中，

• Parameters为圆柱体参数，1×7向量 $[x_1,y_1,z_1,x_2,y_2,z_2,r]$ ，$[x_1,y_1,z_1]$ 和 $[x_2,y_2,z_2]$ 分别为柱体上下两个底面圆的圆心，$r$为圆柱体半径
• Center 为圆柱体中心 $[x_o,y_o,z_o]$
• Height 圆柱体高度 $h$
• Orientation 圆柱体轴线的方向向量 $n$
• Radius 圆柱体半径 $r$

2.2 model = pcfitcylinder(ptCloudIn,maxDistance,referenceVector)

指定参考方向向量拟合圆柱体

代码：

clc;
clear;

% 加载点云
ptCloud_in = pcread('test.pcd');

% 设置点到圆柱体的最大距离
maxDistance = 0.05;

% 设置圆柱体参考方向向量
referenceVector = [3.0,3.9,1.1];

% 执行圆柱体拟合
model = pcfitcylinder(ptCloud_in,maxDistance,referenceVector)

输出结果：

model = 

  cylinderModel - 属性:

     Parameters: [-3.0457 -1.5017 4.1153 -0.1114 2.4240 5.1771 0.9994]
         Center: [-1.5785 0.4611 4.6462]
    Orientation: [2.9344 3.9257 1.0618]
         Height: 5.0149
         Radius: 0.9994

2.3 model = pcfitcylinder(ptCloudIn,maxDistance,referenceVector,maxAngularDistance)

指定参考方向向量拟合圆柱体，同时指定圆柱方向向量与参考方向向量的最大夹角

代码：

clc;
clear;

% 加载点云
ptCloud_in = pcread('test.pcd');

% 设置点到圆柱体的最大距离
maxDistance = 0.05;

% 设置圆柱体参考方向向量
referenceVector = [3.0,3.9,1.1];

% 将最大角度距离设置为3.1°
maxAngularDistance = 3.1;

% 执行圆柱体拟合
model = pcfitcylinder(ptCloud_in,maxDistance,referenceVector,maxAngularDistance)

输出结果：

model = 

  cylinderModel - 属性:

     Parameters: [-3.0309 -1.5094 4.0985 -0.1001 2.3995 5.2389 1.0106]
         Center: [-1.5655 0.4451 4.6687]
    Orientation: [2.9308 3.9089 1.1404]
         Height: 5.0169
         Radius: 1.0106

2.4 [model,inlierIndices,outlierIndices] = pcfitcylinder(ptCloudIn,maxDistance) ★★★

圆柱体拟合，并提取内点、外点

代码：

clc;
clear;

ptCloud_in = pcread('test.pcd');

% 设置点到圆柱体的最小距离
maxDistance = 0.05;

% 执行平面拟合,并提取内点、外点索引
[model,inlier_Idx,outlier_Idx] = pcfitcylinder(ptCloud_in,maxDistance);

% 提取拟合圆柱体点云
cloud_cylinder = select(ptCloud_in,inlier_Idx);

% 提取外点点云
cloud_outlier = select(ptCloud_in,outlier_Idx);

figure;
pcshow(ptCloud_in);
title('包含圆柱体的点云')
xlabel('X(m)');
ylabel('Y(m)');
zlabel('Z(m)');
hold on;

figure;
pcshow(cloud_cylinder);
title('圆柱体拟合点云')
xlabel('X(m)');
ylabel('Y(m)');
zlabel('Z(m)');
hold on;

figure;
pcshow(cloud_outlier);
title('外点点云')
xlabel('X(m)');
ylabel('Y(m)');
zlabel('Z(m)');
hold on;

figure;
pcshowpair(cloud_cylinder,cloud_outlier)
title('圆柱体内点、外点比较')
xlabel('X(m)');
ylabel('Y(m)');
zlabel('Z(m)');
hold off;

结果展示：

2.5 [model,inlierIndices,outlierIndices,meanError] = pcfitcylinder(ptCloudIn,maxDistance)

返回模型拟合的平均误差

代码：

clc;
clear;

ptCloud_in = pcread('test.pcd');

% 设置点到圆柱体的最小距离
maxDistance = 0.05;

% 执行平面拟合,并提取内点、外点索引
[model,inlier_Idx,outlier_Idx,meanError] = pcfitcylinder(ptCloud_in,maxDistance);

% 打印模型拟合的平均误差
meanError

输出结果：

meanError =

  single

    0.0241

3 注意

使用pcfitcylinder函数进行圆柱体拟合，拟合结果不唯一，每执行一次拟合，就得到一个不同的结果，但结果接近。

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参考链接：

https://ww2.mathworks.cn/help/vision/ref/pcfitcylinder.html#d123e190381