CloudViewer

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Nightn 4月 15, 2017
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CloudViewer 简介

CloudViewer （点云可视化软件）是一款面向三维点云数据处理、点云开发专业人员及爱好者的三维点云可视化软件，该软件具备以下功能：

  1. 点云 IO。常见点云格式文件（如 ply, pcd 和 obj）的读取、保存、删除清空及可视化。

  2. 点云的基本操作。设置点云颜色，合并多个点云，点云格式转换等。

  3. 可视化的基本操作。设置视图窗口背景颜色，设置点云的可视化尺寸，设置坐标系的显示，设置视图方位（Main view, Left view, Top view），网格面片显示，网格线框显示等。

  4. 模型生成。生成简单立方排布的点云以及基本三维模型，该功能主要用于测试。

  5. 软件界面基本功能。软件由: [1] 菜单栏、[2] 工具栏、[3] 资源管理树、[4] 属性管理器、[5] 输出窗口、[6] 状态栏、[7] 视图窗口以及 [8] RGB 窗口组成。其中部分都是停靠窗口，可以在菜单栏的视图选项设置是否显示，方便用户自定义软件界面。软件还提供 Windows 和 Darcula 两大主题，其中 Darcula 主题为默认主题，仿照 Visual Studio 和 Android Studio 相应暗系主题设计，极具极客风范。不过为了适应大部分用户，本手册中的示例都是在 Windows 主题下操作的。

CloudViewer 下载及声明

  1. 软件下载：CloudViewer 下载 （软件大小 23.7 MB，目前仅支持 Windows 系统)。
  2. Github 源码：https://github.com/nightn/CloudViewer （欢迎 Star 和 Fork）
  3. 使用手册：http://nightn.com/2017/04/15/cloudviewer
  4. 开发环境：CloudViewer 是用 Windows 10 (64 位) 系统下的 Mircosoft Visual Studio Professional 2013，结合使用 Qt 5.7.0 (64 位) 及 PCL 1.8.0 (64 位) 等开源库进行开发的。
  5. 资源使用：软件所使用的图片资源均来源于 www.easyicon.net。
  6. 声明：本软件用作分享与学习，若转载请注明出处，勿作任何商业用途。

CloudViewer 使用

1. 点云 IO

点云 IO 操作主要包括 Open, Add, Save, Clear 和 Change 等。

1.1 打开点云

[重要说明] 点云存放路径不能有中文字符，否则点云不能正常打开！

点云是由很多个具有三维坐标 x, y, z 的点组成的数据格式，除了位置信息外，点云还可以包含颜色信息（点云的 RGB 值）、透明信息、法线信息等。目前常用的点云格式有 pcd, ply 以及 obj 格式。打开这三种格式的点云主要通过 Qt 库的文件对话框和 PCL 库中载入点云数据的相关 API 实现。

点云 IO 的常用操作可以在 File 菜单及工具栏中找到：

打开动作 Open 的实现效果如下图，支持多选进行批量打开。

1.2 添加点云

点云处理中，有时需要同时对多个点云在同一视图窗口进行可视化和处理。添加点云 Add 每次可以添加一个或多个点云文件，而不会清空后台已经缓存的点云数据，也不会清空视图窗口已经显示的点云模型。理论上，添加点云的数量没有限制。Add 实现效果如下图（为了便于区分，将点云设置成了不同颜色）：

1.3 保存点云

保存点云 Save 有两个特点：

  • 多类型保存。Open 可以实现对 pcd, ply 和 obj 等格式文件的多类型打开，Save 也可以将文件保存成 pcd, ply 等多种类型，这样也就实现了点云的格式转换功能：

  • 多文件保存。CloudViewer 还能将视图窗口显示的所有点云保存为同一个文件，实现了多文件的合并保存。

1.4 清空点云

清空点云 Clear 可将视图窗口中的所有点云模型及后台缓存数据清空。

1.5 点云格式转换

格式转换 Change 暂时未做实现。因为通过 Open 和 Save 就可以完成点云格式转换。

2. 点云基本操作

点云基本操作会直接影响点云文件的内容，基本功能包括改变点云颜色、点云格式转换、点云合并等。

2.1 改变点云颜色

点云中的点不但具有三维信息（x, y, z 坐标），还具有颜色信息（R, G, B），为了更形象地描述点云模型，抑或是为了区分不同点云模型，出于这样的目的，我们需要对点云模型的颜色进行修改。具体包括的功能为：

  • 调整RGB值改变单一点云文件颜色。

  • 在多个点云同时显示时，通过在资源管理树的item进行选择，实现对某一个选定的点云进行颜色变换。

  • 既可以通过滑块控件设置RGB，又可以通过颜色对话框来选择具体颜色。

  • 随机上色功能。

2.2 点云格式转换

点云文件的格式种类非常多，常见的能用 PCL 库直接处理的包括 ply, pcd 等，三维扫描仪保存的 wrl 格式。我们往往需要对点云格式进行转换，但是目前存在的主流点云软件，如 Geomagic Studio，Rapidform，MeshLab 等对点云格式转换的支持并不令人满意（比如 Geomagic Studio 能够导入ply文件并对其进行操作，但却不能保存为 ply，只能保存为 wrl。然后需要利用 MeshLab 将 wrl 转换为 ply，最后还需要利用自己写的程序将 ply 转为 pcd，过程非常麻烦！）

CloudViewer 目前实现了多种点云格式的相互转换（wrl文件的转换还有待进一步开发），通过打开并另存为即可实现三种不同点云格式之间的相互转换，打开和保存的实现可以参见上述部分。如下图：

2.3 合并点云

点云合并 = “多点云打开” + “多点云保存”。上述打开和保存功能已经实现了点云合并功能，在此不再赘述。

3. 可视化基本操作

可视化基本操作主要包括设置背景颜色，设置点云的可视化尺寸，设置视图方位（Main view, Left view, Top view），网格面片显示以及网格线框显示等。

3.1 设置背景颜色

视图窗口中的点云颜色可以更改，背景颜色亦然，效果如下：

3.2 设置点云可视化尺寸

点云由很多点构成，每个点本身具有颜色信息，但是没有尺寸大小的信息。但需要以不同大小进行显示，这是可视化的任务，不涉及对点云本身的修改。设置点云可视化尺寸功能效果如下，分别对应size = 1, 2, 3时点云的大小，为了不影响点云操作，允许的最大尺寸为10（因为点的尺寸越大，渲染速度越慢，对点云的操作也不方便）。

3.3 设置视图方位

设置可视化的视图方位提供了三种不同的视图，主视图（Main View），左视图（Left View）和俯视图（Top View），通过选择相应的视图方位，实现对点云更加快捷的操作。设置视图方位效果如下：

3.4 网格面片显示及网格线框显示

PCL库中提供了非常强大的点云处理功能。在CloudViewer中，实现了点云的网格面片显示和网格线框显示，实现分为三步：点云法线估计，曲面重建和网格显示。显示效果如下：

  • 网格面片显示：

  • 网格线框显示：

4. 模型生成

4.1 立方点云生成

这是一个非常简单但很实用的功能，当你没有点云数据时，可以通过这个功能，生成一个由50000个点随机排布成的立方，如下图所示：

4.2 基本三维模型生成

仅实现了球体的生成。球体生成效果如下图所示：

5. 其他功能

5.1 停靠窗口的显示与隐藏

CloudViewer 包含四个停靠窗口：资源管理树（Data Manager）、属性管理器（Property Manager）、输出窗口（Console）以及RGB窗口（RGB Manager）。通过 View 菜单的选项可以实现停靠窗口的显示及隐藏。

5.2 Console 窗口

输出窗口提供了记录你的操作日志，方便查看，通过右击选择 Clear 可以进行清空，如果你觉得输出窗口没有必要，也可以通过右击选择 Disable console 和 Enable console 来禁用或使用输出窗口。

5.3 资源管理树

资源管理树显示了当前打开的所有点云，可以通过单选或多选，然后右键，进行点云的隐藏、显示、删除设置颜色等操作，非常快捷。

5.4 属性管理器

属性管理器记录了选中点云的一些属性：选中点云的点的数量、RGB 信息，还包括打开的点云的总个数，及所有点云点的数量等。

5.5 关于

通过 Help 可以访问我的博客，查看 CloudViewer 的使用手册（后续会出开发手册）。About 界面记录了 CloudViewer 的版本信息和开发者信息。

CloudViewer 总结

CloudViewer 作为一款点云可视化软件，提供了多点云类型，多文件的读取和写入，并实现了点云类型的转换及点云模型的合并。在此基础上，还提供了丰富的可视化操作，如设置点云颜色及尺寸，设置显示背景颜色，点云的网格面片显示，点云的网格线框显示等；此外，还提供了简单的模型生成及绘制功能，如生成立方随机排布的点云模型，绘制基本三维模型如球体和圆柱体等。在界面上，综合运用了 VTK 显示窗口，停靠窗口，文件树窗口，列表窗口，菜单栏，工具栏，状态栏等一系列 Qt 控件，并建立了功能丰富的多种信号槽联系。

在实际测试中，点云的读取和处理速度也非常快，在本机打开包含 50000 个点的点云文件，耗时不超过1秒，打开包含 170000 个点的点云文件，耗时 3 秒左右。而且在程序设计中，综合考虑了各种用户可能会执行的违规操作，为了防止软件崩溃，对多种错误操作进行了合理反馈。

CloudViewer 还有进一步提升的空间。作为一款点云可视化软件，在后期开发中应该会加入少量三维点云处理的功能，如多角度拍摄的点云进行拼接，点云三角化及光学渲染等。最后，比较重要的一点是，软硬件结合，由于实验室常用微软的 Kinect2.0 获取点云数据，但是微软自带的 SDK 采集到的数据不能很好的反应点云的颜色信息（颜色是根据深度信息来确定的，而不是物体的实际颜色），因此，还可以考虑增加 CloudViewer 与 Kinect 连接及实时可视化的功能。相信随着更多功能的添加，CloudViewer 能够更加胜任在实际实验中的点云获取，点云可视化和点云处理的方方面面。

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