三维空间离散点如何拟合平面?

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了三维空间离散点如何拟合平面?。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

0.引言

  在点云建模过程中,有时需要对扫描建模的点云进行标定,在实际使用中往往以地面做为参照平面,需要将扫描的三维空间点云进行拟合平面,以便纠正扫描结果。本文对三维空间离散点拟合平面算法进行总结,并给出几种编程语言下的算法实现代码。

1.算法原理

  (1)最小二乘法
  三维空间离散点如何拟合平面?

  (2)平面方程拟合
  三维空间离散点如何拟合平面?

2.算法实现

  (1)C#

using MathNet.Numerics.LinearAlgebra;
using MathNet.Numerics.LinearAlgebra.Double;  
  
List<List<double>> dLL =new List<List<double>>();  
using (StreamReader sr = new StreamReader("E:\\4.txt", Encoding.UTF8))  
            {  
                string line;  
                // 从文件读取并显示行,直到文件的末尾   
                while ((line = sr.ReadLine()) != null)  
                {  
                    string[] strs = line.Split(',');  
                    List<double> dL = new List<double>();  
                    dL.Add(double.Parse(strs[0]));  
                    dL.Add(double.Parse(strs[1]));  
                    dL.Add(double.Parse(strs[2]));  
                    dLL.Add(dL);  
                }  
    }  
  
Matrix<double> A,b;  
double[,] dA=new double[dLL.Count(), 3];  
double[,] db = new double[dLL.Count(), 1];  
double[,] da = new double[3, 1];  
for (int i = 0; i < dLL.Count(); i++)  
{  
    dA[i, 0] = dLL[i][0];  
    dA[i, 1] = dLL[i][1];  
    dA[i, 2] = 1;  
    db[i,0] = dLL[i][2];  
}  
A = DenseMatrix.OfArray(dA);  
b = DenseMatrix.OfArray(db);  
Matrix<double> a = (A.Transpose() * A).Inverse() * A.Transpose() * b;  
Console.WriteLine("a0,a1,a2:"+a[0,0].ToString("f6")+","+a[1,0].ToString("f6") + ","+a[2,0].ToString("f6"));  

  (2)C++

//planePoints存储需要拟合的三维点云
vector<Eigen::Vector3d> planePoints;  
Eigen::MatrixXd A(planePoints.size(), 3);  
Eigen::VectorXd b(planePoints.size());  
//将观测点输入矩阵  
for (int i = 0; i < planePoints.size(); i++)  
{  
    A(i, 0) = planePoints[i](0);  
    A(i, 1) = planePoints[i](1);  
    A(i, 2) = 1;  
    b(i) = planePoints[i](2);  
}  
  
//使用最小二乘法求得系数向量  
Eigen::Vector3d a = (A.transpose()*A).inverse()*A.transpose()*b;  

  (3)Matlab

%文件名
fileName = "E:\\4.txt";  
points = csvread(fileName , 0, 0);  
length = size(points(:,1));  
A=[points(:,1),points(:,2),ones(length(1),1)];  
b=points(:,3);  
a=inv(A'*A)*A'*b;  

  (4)Java

//s为点文件数据字符串
String[] strs =  s.toString().split("\n");  
double dA[][] = new double[strs.length][3];  
double db[][] = new double[strs.length][1];  
double da[][] = new double[3][1];  
for(int i = 0;i <strs.length;i++){  
    if(strs[i].equals(""))continue;  
    String[] strs2 = strs[i].split(",");  
    dA[i][0]=Double.parseDouble(strs2[0]);  
    dA[i][1]=Double.parseDouble(strs2[1]);  
    dA[i][2] = 1;  
    db[i][0]=Double.parseDouble(strs2[2]);  
}  
//multiply、inverse、transpose分别为矩阵乘法、求逆、转置  
da = multiply(multiply(inverse(multiply(transpose(dA),dA)),transpose(dA)),db);  

  (5)VBA

Imports MathNet.Numerics.LinearAlgebra
Imports MathNet.Numerics.LinearAlgebra.Double  
  
Dim arr() As String, i As Long  
        arr = Split(CreateObject("scripting.filesystemobject").opentextfile("E:\\4.txt").readall.ToString(), vbLf)  
        Dim dA(UBound(arr), 2) As Double, db(UBound(arr), 0) As Double  
        Dim str() As String  
        For i = 0 To UBound(arr)  
            'ReDim Preserve Txt(i)  
            If arr(i) = "" Then  
                Continue For  
            End If  
            str = Split(arr(i), ",")  
            dA(i, 0) = Convert.ToDouble(str(0))  
            dA(i, 1) = Convert.ToDouble(str(1))  
            dA(i, 2) = 1  
            db(i, 0) = Convert.ToDouble(str(2))  
        Next  
        Dim A, b, ma As Matrix  
        A = DenseMatrix.OfArray(dA)  
        b = DenseMatrix.OfArray(db)  
        ma = (A.Transpose() * A).Inverse() * A.Transpose() * b  
        Console.WriteLine("a0,a1,a2:" + ma(0, 0).ToString("f6") + "," + ma(1, 0).ToString("f6") + "," + ma(2, 0).ToString("f6"))

  (6)Python

from numpy import *;
  
f=open('E:\\4.txt', encoding='gbk')  
txt=[]  
strs = []  
A = []  
b = []  
a = []  
for line in f:  
    strs=line.strip().split(',')  
    A.append([float(strs[0]),float(strs[1]),1])  
    b.append([float(strs[2])])  
A = mat(A)  
b = mat(b)  
a = (A.T*A).I*A.T*b  
print(a)

参考资料:
[1] HIIWAR_ZB. 最小二乘法——拟合平面方程(深度相机外参标定、地面标定); 2020-06-23 [accessed 2023-06-25].
[2]哈哈kls . 最小二乘法拟合平面; 2018-09-10 [accessed 2023-06-25].
[3] 脱掉外衣看本质. 三维空间离散点 平面拟合算法 C++实现; 2019-03-07 [accessed 2023-06-25].文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-508658.html

到了这里,关于三维空间离散点如何拟合平面?的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

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