Python点云显示：open3d快速上手

更系统的讲解： Open3d点云对象详解💎 数据滤波和点云分割💎 kd树💎 oc树
open3d GUI： 基础💎 布局💎 控件💎 树形图💎 显示图像💎 3D控件💎 对话框

上手

open3d主要用于三维对象绘制，为Python提供了非常友好的接口，而且封装了一些基础的点云处理算法，加之Intel维护给力，是Python中处理三维对象的首选模块。

安装很方便

pip install open3d
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装完之后还是老规矩，请出斯坦福兔子刷一波成就感

# 此行代码后面不再重复引入
import open3d as o3d
pcd = o3d.io.read_point_cloud("rabbit.pcd")
o3d.visualization.draw_geometries([pcd])
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除了import之外，两行代码，第一行是读取本地点云文件rabbit.pcd，第二步绘图，结果如下

此界面虽然只有点云，但可通过快捷键进行交互，除了点击拖动改变视角之外，还可通过正负号调节点的尺寸；Ctrl和正负号调节网格尺寸；方括号可用于调节视场角。

鼠标控制则很符合直觉，只需Shift、Ctrl然后加上鼠标左键来回拖动，只需试一下就会明白其操作机理，要比文字描述更直观。

对于常用快捷键，由于稍微嫌多，故列在下面

数字键用于颜色控制，其中单独点击数设置点云颜色；Ctrl+数字设置网格颜色，Shift用于调用内置的伪彩映射

几何变换

鼠标拖动点云的过程，其实对点云进行了空间变换，手段无外乎三种：平移、旋转和缩放。open3d通过translate, rotation, scale来实现这些功能。

下面就演示一下这三个函数

import copy

# 此为原始点云
pcd0 = o3d.io.read_point_cloud("rabbit.pcd")

# 1号点云，沿x轴移动20米
pcd1 = copy.deepcopy(pcd0).translate((20, 0, 0))
pcd1.paint_uniform_color([1, 0, 0])  #设为红色，100 表示rgb

# 2号点云，演示缩放
pcd2 = copy.deepcopy(pcd0).translate((40, 0, 0))
# 前一个参数为缩放比例；后一个参数为缩放后的位置，为必填项
pcd2.scale(0.5, center=pcd2.get_center())
pcd2.paint_uniform_color([0, 1, 1])

# 3号点云，通过欧拉角旋转
pcd3 = copy.deepcopy(pcd0).translate((0, -20, 0))
# 采用Euler角的方法生成旋转角，表示绕y轴旋转90°
thEuler = pcd3.get_rotation_matrix_from_xyz((0,np.pi/2,0))
pcd3.rotate(thEuler)
pcd3.paint_uniform_color([0, 1, 0])

# 4号点云，通过轴角法旋转
pcd4 = copy.deepcopy(pcd0).translate((20, -20, 0))
# 通过轴角表示法生成旋转角，表示绕y轴旋转60°
th = np.array([0, np.pi/3, 0]).T
thAxis = pcd4.get_rotation_matrix_from_axis_angle(th)
pcd4.rotate(thAxis)
pcd4.paint_uniform_color([0, 0, 1])

# 5号点云，通过四元数旋转
pcd5 = copy.deepcopy(pcd0).translate((40, -20, 0))
# 通过四元数法生成转角，表示绕x轴旋转180°
quart = np.array([0,0,0,1]).T
thQuart = pcd5.get_rotation_matrix_from_quaternion(quart)
pcd5.rotate(thQuart)
pcd5.paint_uniform_color([1, 0, 1])

# 5绘图函数可以输入点云列表
pcds = [pcd0, pcd1, pcd2, pcd3, pcd4, pcd5]
o3d.visualization.draw_geometries(pcds)
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效果如下

其中平移和缩放没什么好说的，对于旋转，需要知道欧拉角有三个分量，分别是横滚、俯仰以及航向，代表绕x、y、z轴旋转。

考虑一架正在飞行的飞机，以某一时刻前后为x轴、左右为y轴、上下为z轴。则航向角就是飞机前进方向偏离的角度；俯仰角就是飞机头尾姿态的俯仰；横滚角描述的就是飞机翅膀的摆动。

欧拉角用于描述静态角度是没问题的，但用于表示旋转时会导致万向节死锁，简单来说就是飞机的航向角变化90°之后，其横滚轴变成了俯仰轴，而四元数则没有这个顾虑。

设欧拉角为$(\psi ,\theta ,\varphi )$，则四元数可表示为

$$\mathbf{Q}=\left[\begin{array}{c}\cos (\psi /2)\\ 0\\ 0\\ \sin (\psi /2)\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}\cos (\theta /2)& 0& \sin (\theta /2)& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\cos (\varphi /2)\\ \sin (\varphi /2)\\ 0\\ 0\end{array}\right]$$

曲面重建

尽管实现点云绘制已经十分炫酷了，但是毕竟不够真实。斯坦福兔子据说也是用3D扫描仪扫出来的，所以其原型必定不是离散的点，而是连续的面。

作为专业的点云处理模块，open3d提供了多种生成表面的方法。

Alpha Shapes算法

Alpha Shapes算法又叫滚球法，思想很简单，不妨先从二维着手来理解。

假设平面上有一群点，然后我手里有一个球，只要我这个球足够大，那么当这个球滚向这群点之后，就会把最外层的点的轮廓描绘出来，而不至于串入点集的内部。

将这种二维的滚圆法推广到三维，就是滚球法，在open3d中，提供了create_from_point_cloud_alpha_shape函数，用以生成Alpha shapes，其中输入为点云和alpha参数。

将alpha分别设为0.3，0.6，0.9和1.2，得到结果为

绘图代码如下

tri = o3d.geometry.TriangleMesh
pcd = o3d.io.read_point_cloud("rabbit.pcd")
meshes = []
alpha = 0
for i in range(4):
    alpha += 0.3
    tmpPcd = copy.deepcopy(pcd0).translate((i*20, 0, 0))
    mesh = tri.create_from_point_cloud_alpha_shape(tmpPcd, alpha)
    mesh.compute_vertex_normals()
    meshes.append(mesh)

o3d.visualization.draw_geometries(meshes, mesh_show_back_face=True)
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在曲面生成过程中，命令行输出了生成的三角形个数

TriangleMesh with 31267 points and 83772 triangles.
TriangleMesh with 34591 points and 95546 triangles.
TriangleMesh with 32583 points and 82728 triangles.
TriangleMesh with 29041 points and 67944 triangles.
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其他重建方法

BPA(Ball pivoting Algorithm)算法从翻译来说，是更加纯正的滚球法，其基本思路也是滚球，但不同于Alpha Shapes，BPA直接将落在滚球上的点连接起来，作为轮廓。

由于在open3d中调用这种方法需要先设置法向量，故而等到讲完法向量再做BPA的代码示例。

此外，open3d还提供了泊松表面重构算法，但理解泊松表面的过程，需要首先理解八叉树，故而讲完八叉树再行讲解。