3D點雲目標識別和抓取

這是2016年一個點雲目標識別研究的簡單描述。

一、點雲目標識別流程

點雲目標識別，顧名思義，須要有標準的目標點雲或者標準的點雲特徵描述向量；對實時採集的點雲數據，在裏面尋找與目標點雲類似度最高的點雲塊。

 

二、圓環工件的識別和抓取

圖2.1 點雲在XY平面的投影圖像

圖2.2 圓環點雲採集圖像

2.1濾波

經常使用點雲濾波有帶通濾波、統計濾波、半徑濾波、去除背景平面、去除邊緣。

帶通濾波：就是設置一個x、y、z方向的一個取值範圍，以過濾掉明顯不在測試距離範圍的點雲；好比在kinect數據採集中，因爲其成像範圍Z軸方向比較大，所以會出現不少明顯咱們不須要的背景噪聲信息，這是能夠設置一個合理的Z座標閾值；

半徑濾波：就是搜尋給定半徑R內的相鄰點雲個數，當個數少於給定閾值時，去除點雲；主要用在去除孤立點；

 統計濾波：對每一個點，計算最近鄰K個點雲距離的均值；假設最近鄰距離均值符合高斯分佈，則剔除距離在一個sigma外的點雲；主要用於去除不合羣離散點。

去除背景平面：對放在平面上的物體，背景一般會有一個較大的平面；採用Ransac擬合平面，剔除平面。

 

圖2.3 統計濾波閾值選取方式 

圖2.4 圓環濾波後

2.2降採樣

三維點雲數據通常數據量都很大，爲了提升程序的速度，能夠對濾波後的數據進行降採樣；降採樣的原則是保證點雲的總體分佈狀況，又不能破壞邊緣信息（相似於圖像處理的邊緣保留Edge-preserving）。均勻降採樣使用體素格的重心來表示給定半徑範圍內點的總體信息，來實現降採樣和濾波的目的。

圖2.5 體素格降採樣

圖2.6 單一圓環體素格降採樣（藍色是原始點雲數據，紅色是降採樣數據）

2.3 點雲分割

經過濾波後，點雲被分紅了不少基本不相鄰的塊，能夠採用聚類的方法來進行分割（相似於二維圖像的連通域標記）。

圖2.7 點雲分割 

2.4 特徵向量計算和匹配

當數據量不大的時候，能夠直接計算降採樣數據的特徵向量；數據量很大時，最好先計算特徵點（知足旋轉、平移、尺度、仿射不變性），而後計算特徵點處的特徵向量。

相似於二維圖像，3d點雲也能夠計算每一個點的特徵，經常使用的特徵描述子有SHOT（signature histogram of orientation）、FPFH（Fast Point of Histogram）等；

匹配找到對應特徵點對後，存在不少誤匹配特徵點對，須要採用Ransac對點對進行提純，找到內點Inliners，採用ICP方法計算點對之間的旋轉變換關係；

圖2.8 識別的圓環（藍色點是原始的圓環數據，紅色的是識別後通過旋轉、平移變化的圓環）

視頻信息已經上傳Youtube，附網址：

機器人抓取視頻 https://www.youtube.com/watch?v=9UaWKWEigXo&feature=youtu.be