🟠 RANSAC拟合

功能描述

该算子使用RANSAC算法对输入的点云数据进行几何模型拟合，能够拟合如平面、直线、球体和3D圆环等基本几何形状。

RANSAC是一种迭代算法，可以在输入数据中识别“局内点”（即符合模型的点）和“局外点”（即噪声或不符合模型的点），估算出准确的模型拟合参数。

使用场景

  • 几何对象检测：需要在复杂的3D场景中检测和定位特定几何形状的物体（例如，桌面、管道、球形物体、圆形孔洞）时。

  • 点云分割：根据点云是否符合某种几何模型，将其分割成不同的部分。例如，从场景中提取出所有平坦表面。

  • 噪声过滤：通过识别主要的几何结构，可以将不符合该结构的噪声点识别为局外点并进行分离。

  • 参数估计：从点云数据中提取特定几何形状的精确参数，例如平面的方程、球体的中心和半径等。

输入输出

输入项

点云：输入的待进行拟合的点云数据，可以是一个点云或点云列表。

输出项

拟合内部点云：拟合模型的点云（局内点）。

拟合外部点云：不属于拟合模型的点云（局外点）。

方程参数：拟合所得形状的方程参数列表。

  • 平面模型：[a,b,c,d]，其中平面方程为ax+by+cz+d=0。(a,b,c)是平面的法向量，d是平面到原点的距离相关的参数。

  • 直线模型：[x,y,z,dx,dy,dz]，其中(x,y,z)为直线上一点，(dx,dy,dz)是直线的方向向量。

  • 球模型：[center.x,center.y,center.z,radius]，即球心的三维坐标和球的半径。

  • 3D圆环模型：[center.x,center.y,center.z,normal.x,normal.y,normal.z,radius]，即圆心的三维坐标、圆平面法向量的三维坐标以及圆环的半径。

结果方向：拟合结果的主要方向向量列表。

  • 平面拟合：返回平面法向量[nx,ny,nz]。

  • 直线拟合：返回直线的方向向量[dx,dy,dz]。

  • 3D圆环拟合：返回圆环所在平面的法向量[nx,ny,nz]。

  • 球形拟合：不返回方向向量。

参数说明

该算子有两个版本：

  • RANSAC拟合：处理不带法向信息的点云。

  • RANSAC拟合(带法向)：处理带有法向信息的点云。

两者核心功能和参数完全相同，仅处理的点云数据类型不同。

拟合最少点数

参数说明

每次迭代候选模型至少需要包含的点云点数才被认为是有效的。

调参说明

  • 增大此值：可以确保拟合出的模型是由足够多的点支撑的，有助于避免将噪声点或非常小的点簇误认为有效模型。但也可能导致无法检测到点数较少的真实物体。

  • 减小此值：允许拟合点数较少的模型。更容易检测到小型物体或物体的不完整部分，但也可能更容易受到噪声影响。此值不应小于定义所选几何模型所需的最小点数（例如，平面至少3个点，直线至少2个点）。

参数范围

[1,10000000]，默认值：100

拟合最多点数

参数说明

每次迭代候选模型所能包含的最大点云点数。

调参说明

此参数通常用于防止一个非常大的、符合模型的结构（例如一个巨大的平面背景）消耗掉所有点，使得无法检测到其上的其他较小结构。如果主要目标是检测场景中最大的那个符合模型的结构，可以将此值设得非常大。

参数范围

[1,4000000]，默认值：4000000

重复次数

参数说明

指的是对输入的每块点云数据，重复执行RANSAC拟合过程的次数。每次重复都有可能找到一个新的、不同的模型实例。一般而言，这个值跟输出结果的组数是对应的，若设为k，则一般会输出k组数据，除非拟合多次后还是拟合不到k个结果，则输出会小于k。

调参说明

  • 设置为1：算子将尝试找到最显著（通常是包含最多局内点）的一个模型实例。

  • 设置大于1：算子将尝试在点云中寻找多个模型实例。例如，如果场景中有多个桌面，增加此值可以帮助检测到所有的桌面。

注意：增加此值会显著增加计算时间。

参数范围

[0,5000]，默认值：1

最大迭代次数

参数说明

在单次RANSAC拟合过程（由“重复次数”控制的一次尝试）中，算法进行随机采样和模型验证的最大迭代轮数。

调参说明

  • 增大此值： 算法有更多机会从数据中随机抽取到好的样本点来构建模型，从而增加了找到最佳可能模型的概率，尤其是在局内点比例较低（噪声较多）的情况下，但这会增加计算时间。

  • 减小此值： 计算速度更快，但在噪声较多或模型不明显时，可能无法找到好的模型。

参数范围

[0,100000]，默认值：100

损失函数阈值

参数说明

定义了一个距离阈值。如果一个点到当前候选模型的距离小于或等于此阈值，则该点被视为此模型的“局内点”。

调参说明

  • 较小值：要求点必须非常靠近模型才能被接受。这会使得拟合对模型的形状要求更严格，结果更精确，但对噪声和点云的不完美性更敏感，可能会遗漏一些稍远的有效点。

  • 较大值：允许点离模型较远也被接受。这使得算法对噪声和形状偏差的容忍度更高，但也可能导致将一些局外点错误地包含进来，使得模型拟合不够准确。

建议根据点云的密度、噪声水平以及对模型精度的要求来仔细调整此参数。可以从一个适中的值开始，观察拟合结果，然后逐步调整。

参数范围

[0,1000000]，默认值：8

拟合模型

参数说明

选择希望从点云中拟合的几何模型类型。

调参说明

根据需求在点云中检测的物体形状进行选择。例如，如果要检测桌面，选择“平面”；如果要检测管道（的一部分），可尝试“直线”（轴向）或后续的“RANSAC拟合(带法向)”中的“圆”。

参数范围

可选：平面、直线、球体、3D圆环

模型方向

参数说明

设置模型的期望主方向。

此参数仅在选择“平面”、“直线”、“3D圆环”模型时生效。对于“平面”模型，此为平面法向量；对于“直线”模型，此为直线方向；对于“3D圆环”模型，此为圆环所在平面的法向量。

调参说明

提供一个大致的参考方向。例如，如果需求是检测一个大致竖直的平面，可以将此参数设置为[0,0,1]或[0,0,-1]（假设Z轴向上）。算法会在此参考方向和允许的“轴向浮动范围”(angleEps)内搜索最佳匹配。如果方向完全未知，此参数的约束作用会减弱，可以增大“轴向浮动范围”。

参数范围

[0,0,1]

轴向浮动范围

参数说明

设置拟合出的模型主方向与“模型方向”参数所指定方向之间允许的最大角度偏差。

仅在选择“平面”、“直线”、“3D圆环”模型时生效。

调参说明

  • 较小值(例如5-15°)：表示您对模型的方向有较强的先验知识，拟合结果的方向会严格限制在"模型方向"附近。适用于目标方向已知且变化不大的情况。

  • 较大值(例如30-90°)：表示模型方向的约束较松，允许在更大范围内搜索方向。适用于目标方向不确定或希望检测更大角度范围内的对象。

参数范围

[0,300]，默认值：30，单位：°

半径大小

参数说明

设置期望拟合的“球体”或“3D圆环”的半径大小。

仅在选择“球体”、“3D圆环”模型时生效。

调参说明

提供一个期望半径的估计值，算法会结合“半径浮动范围”(radiusEps)在此估计值附近寻找最佳匹配。

参数范围

[0,10000]，默认值：10，单位：mm

半径浮动范围

参数说明

设置拟合出的“球体”或“3D圆环”的半径与“半径大小”(radius)参数所指定半径之间允许的最大偏差。

单位为mm。此参数仅在选择“球体”、“3D圆环”模型时生效。

调参说明

  • 较小值(例如1-5mm)：对模型的半径有较精确的估计，拟合结果的半径会严格限制在“半径大小”附近。

  • 较大值(例如10-50mm)：表示模型半径的约束较松，允许拟合出半径与预设值有较大差异的模型，适用于半径不确定或希望检测更大半径范围内的对象。

参数范围

[0,300]，默认值：5，单位：mm