PCL中的区域生长分割(region growing segmentation)

在本博文中，我主要介绍如何在pcl::RegionGrowing类中调用区域增长算法。首先注意一点，这里是region growing segmentation，不是color-based region growing segmentation.

算法核心：该算法是基于点法线之间角度的比较，企图将满足平滑约束的相邻点合并在一起，以一簇点集的形式输出。每簇点集被认为是属于相同平面。

工作原理：首先需要明白，区域增长是从有最小曲率值(curvature value)的点开始的。因此，我们必须计算出所有曲率值，并对它们进行排序。这是因为曲率最小的点位于平坦区域，而从最平坦的区域增长可以减少区域的总数。现在我们来具体描述这个过程：

1.点云中有未标记点，按照点的曲率值对点进行排序，找到最小曲率值点，并把它添加到种子点集；

2.对于每个种子点，算法都会发现周边的所有近邻点。1）计算每个近邻点与当前种子点的法线角度差(reg.setSmoothnessThreshold)，如果差值小于设置的阈值，则该近邻点被重点考虑，进行第二步测试；2）该近邻点通过了法线角度差检验，如果它的曲率小于我们设定的阈值(reg.setCurvatureThreshold)，这个点就被添加到种子点集，即属于当前平面。

3.通过两次检验的点，被从原始点云去除。

4.设置最小点簇的点数min（reg.setMinClusterSize），最大点簇为max（reg.setMaxClusterSize）。

4.重复1-3步，算法会生成点数在min和max的所有平面，并对不同平面标记不同颜色加以区分。

5.直到算法在剩余点中生成的点簇不能满足min，算法停止工作。

算法具体的伪码表示：http://pointclouds.org/documentation/tutorials/region_growing_segmentation.php#region-growing-segmentation

实现算法的工程文件中的代码，.cpp:

#include <iostream>
#include <vector>
#include <pcl/point_types.h>
#include <pcl/io/pcd_io.h>
#include <pcl/search/search.h>
#include <pcl/search/kdtree.h>
#include <pcl/features/normal_3d.h>
#include <pcl/visualization/cloud_viewer.h>
#include <pcl/filters/passthrough.h>
#include <pcl/segmentation/region_growing.h>

int
main (int argc, char** argv)
{
  pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>::Ptr cloud (new pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>);
  if ( pcl::io::loadPCDFile <pcl::PointXYZ> ("region_growing_tutorial.pcd", *cloud) == -1)
  {
    std::cout << "Cloud reading failed." << std::endl;
    return (-1);
  }

  pcl::search::Search<pcl::PointXYZ>::Ptr tree = boost::shared_ptr<pcl::search::Search<pcl::PointXYZ> > (new pcl::search::KdTree<pcl::PointXYZ>);
  pcl::PointCloud <pcl::Normal>::Ptr normals (new pcl::PointCloud <pcl::Normal>);
  pcl::NormalEstimation<pcl::PointXYZ, pcl::Normal> normal_estimator;
  normal_estimator.setSearchMethod (tree);
  normal_estimator.setInputCloud (cloud);
  normal_estimator.setKSearch (50);
  normal_estimator.compute (*normals);

  pcl::IndicesPtr indices (new std::vector <int>);
  pcl::PassThrough<pcl::PointXYZ> pass;
  pass.setInputCloud (cloud);
  pass.setFilterFieldName ("z");
  pass.setFilterLimits (0.0, 1.0);
  pass.filter (*indices);

  pcl::RegionGrowing<pcl::PointXYZ, pcl::Normal> reg;
  reg.setMinClusterSize (50);
  reg.setMaxClusterSize (1000000);
  reg.setSearchMethod (tree);
  reg.setNumberOfNeighbours (30);
  reg.setInputCloud (cloud);
  //reg.setIndices (indices);
  reg.setInputNormals (normals);
  reg.setSmoothnessThreshold (3.0 / 180.0 * M_PI);
  reg.setCurvatureThreshold (1.0);

  std::vector <pcl::PointIndices> clusters;
  reg.extract (clusters);

  std::cout << "Number of clusters is equal to " << clusters.size () << std::endl;
  std::cout << "First cluster has " << clusters[0].indices.size () << " points." << endl;
  std::cout << "These are the indices of the points of the initial" <<
    std::endl << "cloud that belong to the first cluster:" << std::endl;
  int counter = 0;
  while (counter < clusters[0].indices.size ())
  {
    std::cout << clusters[0].indices[counter] << ", ";
    counter++;
    if (counter % 10 == 0)
      std::cout << std::endl;
  }
  std::cout << std::endl;

  pcl::PointCloud <pcl::PointXYZRGB>::Ptr colored_cloud = reg.getColoredCloud ();
  pcl::visualization::CloudViewer viewer ("Cluster viewer");
  viewer.showCloud(colored_cloud);
  while (!viewer.wasStopped ())
  {
  }

  return (0);
}

注释：

      1.文件输入、输出最好使用绝对路径；

      2.代码中涉及到的参数：

             setKSearch()： 这是在计算点的法线时，设置邻域内需要多少点来模拟平面计算法线。法线计算：http://geometryhub.net/notes/pointcloudnormal

                       setMInClusterSize()   setMaxClusterSize() 原理中已经提到

                       setNumberOfneighbours() 指的是区域增长时种子点附近纳入检验的点数

                       setSmoothnessThreshold()  setCurvatureThreshold()   原理中已经提到。这两个阈值的设置尤其重要，它们是region growing segmentation的核心。

      3.注意，输入点点类型为 pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>，输出点为pcl::PointXYZRGB，因为分割完之后不同平面信息被 不同颜色标记，而被抛弃的点被红色标记。如下图所示。点类型根据读者输入的点云数据包含的列信息而定，在此不在详细解释。

       4.cmake文件参照如下：

cmake_minimum_required(VERSION 2.8 FATAL_ERROR)

project(region_growing_segmentation)

find_package(PCL 1.5 REQUIRED)

include_directories(${PCL_INCLUDE_DIRS})
link_directories(${PCL_LIBRARY_DIRS})
add_definitions(${PCL_DEFINITIONS})

add_executable (region_growing_segmentation region_growing_segmentation.cpp)
target_link_libraries (region_growing_segmentation ${PCL_LIBRARIES})

  最后，区域增长算法已经是比较老的平面分割算法。希望大家能提出更好的算法。

         参考资料：http://pointclouds.org/documentation/tutorials/region_growing_segmentation.php#region-growing-segmentation