激光點(diǎn)云濾波處理

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• 點(diǎn)云濾波的介紹

• 幾種常用濾波器

• 對(duì)比與總結(jié)

在獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，由于設(shè)備精度、操作者經(jīng)驗(yàn)、環(huán)境因素等帶來的影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中將不可避免地出現(xiàn)一些噪聲點(diǎn)。而濾波的作用就是利用數(shù)據(jù)的低頻特性剔除離群數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑或者提取特定頻段特征。

什么時(shí)候需要做點(diǎn)云濾波？

1. 點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度不規(guī)則需要平滑

2. 因?yàn)檎趽醯葐栴}造成離群點(diǎn)需要去除

3. 大量數(shù)據(jù)需要進(jìn)行下采樣

4. 噪音數(shù)據(jù)需要去除
   

常用的點(diǎn)云濾波器包括以下幾種：

• 直通濾波器

• 條件濾波器

• 高斯濾波器

• 雙邊濾波器

• 體素濾波器

• 統(tǒng)計(jì)濾波器

• 半徑濾波器

• 頻率濾波器

從功能層面可以分為三類使用，直通和條件濾波用于預(yù)處理的最前端提取出感興趣區(qū)域；體素濾波用于對(duì)密集點(diǎn)云進(jìn)行下采樣減少數(shù)據(jù)量；其他濾波器用于平滑點(diǎn)云同時(shí)去除離散點(diǎn)。

1. 直通濾波器

原理：在點(diǎn)云的指定維度上設(shè)置一個(gè)閾值范圍，將這個(gè)維度上的數(shù)據(jù)分為在閾值范圍內(nèi)與不在閾值范圍內(nèi)，從而選擇過濾與否。能夠快速過濾掉用戶自定義區(qū)間范圍內(nèi)的點(diǎn)云。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于激光掃描采集的距離較遠(yuǎn)，但是根據(jù)功能需求的不同可能只關(guān)心一定區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，比如低速物流車的運(yùn)營場(chǎng)景，可能在X方向只關(guān)心前后60米，Y方向只關(guān)心左右20米的范圍。此時(shí)就可以利用直通濾波器提取出感興趣區(qū)域，可較快剔除部分點(diǎn)云，達(dá)到第一步粗處理的目的。

特點(diǎn)：根據(jù)人工設(shè)定的先驗(yàn)范圍約束或者借助外部約束，直觀的縮小關(guān)注的空間范圍，減少后續(xù)計(jì)算量。

2. 條件濾波器

原理：通過設(shè)定濾波條件進(jìn)行濾波，類似于分段函數(shù)，判斷點(diǎn)云是否在規(guī)則的范圍則中，如果不在則舍棄。上述的直通濾波器就是一種較簡單的條件濾波器。

如下圖所示：采用直通濾波器或者條件濾波器均能夠完成提取感興趣區(qū)域的功能。

3. 高斯濾波器

原理：采用加權(quán)平均方式的一種非線性濾波器，在指定域內(nèi)的權(quán)重是根據(jù)歐式距離的高斯分布，通過權(quán)重加權(quán)平均的方式得到當(dāng)前點(diǎn)的濾波后的點(diǎn)。

特點(diǎn)：利用標(biāo)準(zhǔn)差去噪，適用于呈正態(tài)分布的數(shù)據(jù)平滑效果較好，但是邊緣角點(diǎn)也會(huì)被較大的平滑。

4. 雙邊濾波器

原理：通過取鄰近采樣點(diǎn)的加權(quán)平均來修正當(dāng)前采樣點(diǎn)的位置，在高斯濾波器只考慮空間域點(diǎn)的位置基礎(chǔ)上，增加了維度上的權(quán)重。一定程度上彌補(bǔ)了高斯濾波的缺點(diǎn)。

特點(diǎn)：既有效地對(duì)空間三維模型表面進(jìn)行降噪，又可以保持點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的幾何特征信息，避免三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)被過渡光滑。但是只適用于有序點(diǎn)云。

5. 體素濾波器

原理：通過對(duì)輸入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個(gè)三維體素柵格，然后在每個(gè)體素內(nèi)，用體素中所有點(diǎn)的重心來近似顯示體素中的其他點(diǎn)，這樣該體素內(nèi)所有點(diǎn)就用一個(gè)重心點(diǎn)最終表示。

也有另外一種相似的表達(dá)形式：利用每一個(gè)體素立方體的中心來近似該體素立方體內(nèi)的所有點(diǎn)，相比上一種方法計(jì)算速度較快，但是損失了原始點(diǎn)云局部形態(tài)的精細(xì)度。

特點(diǎn)：可以達(dá)到向下采樣同時(shí)不破壞點(diǎn)云本身幾何結(jié)構(gòu)的功能。點(diǎn)云幾何結(jié)構(gòu)不僅是宏觀的幾何外形，也包括其微觀的排列方式，比如橫向相似的尺寸，縱向相同的距離。隨機(jī)下采樣雖然效率比體素網(wǎng)格濾波器高，但會(huì)破壞點(diǎn)云微觀結(jié)構(gòu)。

如下圖所示：經(jīng)過體素網(wǎng)格下采樣后的行人，點(diǎn)云會(huì)變得更稀疏。主要是針對(duì)線束比較高的激光雷達(dá)或者多個(gè)雷達(dá)數(shù)據(jù)疊加時(shí)，平滑點(diǎn)云間隔的情況使用。

在將統(tǒng)計(jì)濾波器和半徑濾波器之前，提到一個(gè)離散群點(diǎn)的概念，那么什么是離散群點(diǎn)？

在獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，由于受到外界干擾如視線遮擋，障礙物等因素的影響，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在著一些距離主題點(diǎn)云較遠(yuǎn)的離散點(diǎn)，即離散群點(diǎn)。

如下圖所示：由于設(shè)備采集或者障礙物遮擋等問題或?qū)е略谌S空間中出現(xiàn)零星的點(diǎn)集。

離散群點(diǎn)有什么影響？

離散群點(diǎn)會(huì)破壞點(diǎn)云的表達(dá)準(zhǔn)確性。使得局部點(diǎn)云特征（例如表面法線或曲率變化）的估計(jì)變得非常復(fù)雜，這往往導(dǎo)致錯(cuò)誤的估計(jì)結(jié)果，從而可能導(dǎo)致點(diǎn)云配準(zhǔn)失敗。

6. 統(tǒng)計(jì)濾波器

原理：對(duì)每個(gè)點(diǎn)的鄰域進(jìn)行一個(gè)統(tǒng)計(jì)分析，并修剪掉那些不符合一定標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)。我們的稀疏離群點(diǎn)移除方法基于在輸入數(shù)據(jù)中對(duì)點(diǎn)到臨近點(diǎn)的距離分布的計(jì)算。

具體方法如下：

計(jì)算每個(gè)點(diǎn)到其最近的k個(gè)點(diǎn)平均距離，（假設(shè)得到的結(jié)果是一個(gè)高斯分布，其形狀是由均值和標(biāo)準(zhǔn)差決定），那么平均距離在標(biāo)準(zhǔn)范圍之外的點(diǎn)，可以被定義為離群點(diǎn)并從數(shù)據(jù)中去除。

特點(diǎn)：主要是根據(jù)密度去除離群點(diǎn)，對(duì)密度差異較大的離群點(diǎn)去除效果較好。

7. 半徑濾波器

原理：與統(tǒng)計(jì)濾波器類似，只是操作更加暴力直觀，根據(jù)空間點(diǎn)半徑范圍臨近點(diǎn)數(shù)量來濾波。

具體方法如下：

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中以某點(diǎn)為中心畫一個(gè)圓計(jì)算落在該圓中點(diǎn)的數(shù)量，當(dāng)數(shù)量大于給定值時(shí)，則保留該點(diǎn)，數(shù)量小于給定值則剔除該點(diǎn)。此算法運(yùn)行速度快，依序迭代留下的點(diǎn)一定是最密集的，但是圓的半徑和圓內(nèi)點(diǎn)的數(shù)目都需要人工指定。

特點(diǎn)：用于去除離群點(diǎn)，在一定程度上可以用來篩選邊緣點(diǎn)。

如下圖所示：采用上述兩種濾波器可以提出掉零星的點(diǎn)集。

8. 頻率濾波器

原理：在點(diǎn)云處理中，點(diǎn)云法線向量差為點(diǎn)云所表達(dá)的信號(hào)。用點(diǎn)云的曲率來表示頻率信息，如果某處點(diǎn)云曲率大，則點(diǎn)云表達(dá)的是一個(gè)變化高頻的信號(hào)。如果點(diǎn)云曲率小，則點(diǎn)云表達(dá)的是一個(gè)不變低頻的信號(hào)。例如：地面曲率小，它表達(dá)的信息量也小；障礙物處曲率大，頻率就會(huì)更高。

以DoN算法為例，目的是在去除點(diǎn)云低頻濾波，低頻信息（例如建筑物墻面，地面）往往會(huì)對(duì)分割產(chǎn)生干擾，高頻信息（例如建筑物窗框，路面障礙錐）往往尺度上很小，直接采用基于臨近信息的濾波器會(huì)將此類信息合并至墻面或路面中。所以DoN算法利用了多尺度空間的思想。

具體如下：

1. 在小尺度上計(jì)算點(diǎn)云法線1

2. 在大尺度上計(jì)算點(diǎn)云法線2

3. 法線1-法線2

4. 濾去3中值較小的點(diǎn)

5. 根據(jù)第三步得到的法線差，進(jìn)行歐式分割

特點(diǎn)：在小尺度上是可以對(duì)高頻信息進(jìn)行檢測(cè)的，可以很好的小尺度高頻信息。其在大規(guī)模點(diǎn)云中優(yōu)勢(shì)尤其明顯。

濾波器主要是通過局部計(jì)算的方式，獲得一個(gè)響應(yīng)值，然后根據(jù)響應(yīng)值調(diào)整點(diǎn)云，比如位置調(diào)整，保留或刪除某點(diǎn)。

當(dāng)一種濾波無法完整達(dá)到預(yù)處理要求時(shí)，可以通過組裝多個(gè)濾波器達(dá)到更復(fù)雜的功能。比如小編在實(shí)際應(yīng)用中借助于車輛運(yùn)動(dòng)軌跡和路沿檢測(cè)作為感興趣區(qū)域的先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行直通濾波；接著根據(jù)激光雷達(dá)的線束多少調(diào)整統(tǒng)計(jì)濾波參數(shù)過濾離群點(diǎn)；由于使用了兩顆激光雷達(dá)做數(shù)據(jù)拼接，最后通過體素降采樣平滑點(diǎn)的間隔。