请写出SVD计算旋转矩阵的Python代码

时间: 2024-04-16 14:08:43 浏览: 218
以下是使用SVD计算旋转矩阵的Python代码: ```python import numpy as np def svd_rotation_matrix(A): U, _, V = np.linalg.svd(A) R = np.dot(U, V) if np.linalg.det(R) < 0: R[:, -1] *= -1 return R ``` 其中,`A`是原始矩阵,`U`、`V`是经过SVD分解后的矩阵,`R`是旋转矩阵。如果计算得到的旋转矩阵的行列式小于0,则将最后一列乘以-1以保证其为旋转矩阵。
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基于NDT算法写出python代码实现:1.将点云数据划分为若干个体素;2.对每个体素内的点云数据进行高斯分布拟合;3.计算每个体素内的点云数据与目标点云数据的匹配度;4.根据匹配度进行点云配准。

感谢您的提问。对于您的问题,我可以回答。基于NDT算法的python代码实现如下: 1.将点云数据划分为若干个体素: ``` import numpy as np from sklearn.neighbors import KDTree def voxel_downsample(points, voxel_size): """ 将点云数据划分为若干个体素 :param points: 点云数据 :param voxel_size: 体素大小 :return: 体素化后的点云数据 """ min_point = np.min(points, axis=0) max_point = np.max(points, axis=0) voxel_grid = np.ceil((max_point - min_point) / voxel_size) voxel_grid = voxel_grid.astype(np.int32) voxel_points, voxel_point_idx = [], [] for i in range(voxel_grid[0]): for j in range(voxel_grid[1]): for k in range(voxel_grid[2]): voxel_min = min_point + np.array([i, j, k]) * voxel_size voxel_max = voxel_min + voxel_size idx = np.where((points[:, 0] >= voxel_min[0]) & (points[:, 0] < voxel_max[0]) & (points[:, 1] >= voxel_min[1]) & (points[:, 1] < voxel_max[1]) & (points[:, 2] >= voxel_min[2]) & (points[:, 2] < voxel_max[2]))[0] if len(idx) > 0: voxel_points.append(np.mean(points[idx], axis=0)) voxel_point_idx.append(idx) return np.array(voxel_points), voxel_point_idx ``` 2.对每个体素内的点云数据进行高斯分布拟合: ``` from scipy.optimize import minimize def gauss_newton(x0, y, sigma, f, jacobian, max_iter=20): """ 高斯牛顿法拟合高斯分布 :param x0: 初始参数 :param y: 数据 :param sigma: 数据权重 :param f: 模型函数 :param jacobian: 模型函数的雅可比矩阵 :param max_iter: 最大迭代次数 :return: 拟合后的参数 """ x = x0 for i in range(max_iter): J = jacobian(x, y) r = f(x, y) - sigma H = J.T.dot(np.diag(sigma ** 2)).dot(J) g = J.T.dot(sigma ** 2).dot(r) dx = np.linalg.solve(H, -g) x += dx if np.linalg.norm(dx) < 1e-6: break return x def gaussian_model(x, y): """ 高斯分布模型函数 :param x: 参数 :param y: 数据 :return: 模型值 """ mu = x[:3] sigma = np.diag(x[3:6]) det = np.linalg.det(sigma) if det == 0: return np.zeros(len(y)) else: inv_sigma = np.linalg.inv(sigma) diff = y - mu exponent = np.exp(-0.5 * np.sum(diff.dot(inv_sigma) * diff, axis=1)) return exponent / np.sqrt((2 * np.pi) ** 3 * det) def gaussian_jacobian(x, y): """ 高斯分布模型函数的雅可比矩阵 :param x: 参数 :param y: 数据 :return: 雅可比矩阵 """ mu = x[:3] sigma = np.diag(x[3:6]) inv_sigma = np.linalg.inv(sigma) diff = y - mu exponent = np.exp(-0.5 * np.sum(diff.dot(inv_sigma) * diff, axis=1)) dmu = np.sum(diff.dot(inv_sigma), axis=0) dsigma = -0.5 * inv_sigma.dot(diff.T).dot(diff).dot(inv_sigma) return np.hstack((np.tile(exponent, (3, 1)).T * dmu, np.tile(exponent, (6, 1)).T * dsigma)) def fit_gaussian(points): """ 对每个体素内的点云数据进行高斯分布拟合 :param points: 体素内的点云数据 :return: 高斯分布的均值和协方差矩阵 """ x0 = np.hstack((np.mean(points, axis=0), np.std(points, axis=0))) res = minimize(lambda x: np.sum((gaussian_model(x, points) - 1) ** 2), x0, method='trust-krylov', jac=lambda x: 2 * (gaussian_model(x, points) - 1)[:, np.newaxis] * gaussian_jacobian(x, points), options={'maxiter': 100}) mu = res.x[:3] sigma = np.diag(res.x[3:6]) return mu, sigma ``` 3.计算每个体素内的点云数据与目标点云数据的匹配度: ``` def compute_correspondences(source_points, target_points, source_normals, target_normals, voxel_size, max_distance): """ 计算每个体素内的点云数据与目标点云数据的匹配度 :param source_points: 源点云数据 :param target_points: 目标点云数据 :param source_normals: 源点云法向量 :param target_normals: 目标点云法向量 :param voxel_size: 体素大小 :param max_distance: 最大匹配距离 :return: 匹配点对 """ source_voxel_points, source_voxel_point_idx = voxel_downsample(source_points, voxel_size) target_voxel_points, target_voxel_point_idx = voxel_downsample(target_points, voxel_size) source_voxel_normals = np.zeros_like(source_voxel_points) target_voxel_normals = np.zeros_like(target_voxel_points) for i in range(len(source_voxel_point_idx)): idx = source_voxel_point_idx[i] source_voxel_normals[i] = np.mean(source_normals[idx], axis=0) for i in range(len(target_voxel_point_idx)): idx = target_voxel_point_idx[i] target_voxel_normals[i] = np.mean(target_normals[idx], axis=0) tree = KDTree(target_voxel_points) dist, idx = tree.query(source_voxel_points, k=1, distance_upper_bound=max_distance) valid_idx = np.where(np.isfinite(dist))[0] source_voxel_points = source_voxel_points[valid_idx] source_voxel_normals = source_voxel_normals[valid_idx] target_voxel_points = target_voxel_points[idx[valid_idx]] target_voxel_normals = target_voxel_normals[idx[valid_idx]] source_voxel_features = np.hstack((source_voxel_points, source_voxel_normals)) target_voxel_features = np.hstack((target_voxel_points, target_voxel_normals)) tree = KDTree(target_voxel_features) dist, idx = tree.query(source_voxel_features, k=1) valid_idx = np.where(dist < max_distance)[0] source_voxel_points = source_voxel_points[valid_idx] target_voxel_points = target_voxel_points[idx[valid_idx]] return source_voxel_points, target_voxel_points ``` 4.根据匹配度进行点云配准: ``` from scipy.spatial.transform import Rotation def icp(source_points, target_points, source_normals, target_normals, voxel_size, max_distance, max_iter=20): """ 点云配准 :param source_points: 源点云数据 :param target_points: 目标点云数据 :param source_normals: 源点云法向量 :param target_normals: 目标点云法向量 :param voxel_size: 体素大小 :param max_distance: 最大匹配距离 :param max_iter: 最大迭代次数 :return: 配准后的源点云数据 """ source_points = source_points.copy() source_normals = source_normals.copy() for i in range(max_iter): source_voxel_points, target_voxel_points = compute_correspondences(source_points, target_points, source_normals, target_normals, voxel_size, max_distance) R, t = align_points(source_voxel_points, target_voxel_points) source_points = source_points.dot(R.T) + t source_normals = source_normals.dot(R.T) return source_points def align_points(source_points, target_points): """ 计算点云配准的旋转矩阵和平移向量 :param source_points: 源点云数据 :param target_points: 目标点云数据 :return: 旋转矩阵和平移向量 """ mu_s = np.mean(source_points, axis=0) mu_t = np.mean(target_points, axis=0) source_points_centered = source_points - mu_s target_points_centered = target_points - mu_t W = source_points_centered.T.dot(target_points_centered) U, _, Vt = np.linalg.svd(W) S = np.eye(3) if np.linalg.det(U) * np.linalg.det(Vt) < 0: S[2, 2] = -1 R = U.dot(S).dot(Vt) t = mu_t - mu_s.dot(R.T) return R, t ``` 希望这些代码能够帮助到您。

写一段深度相机和机械臂手眼标定的程序

好的,以下是一段深度相机和机械臂手眼标定的程序: ```python import numpy as np import cv2 import glob # 初始化机械臂和深度相机的变量 robot_pose = [] depth_pose = [] robot_pose_inv = [] depth_pose_inv = [] # 读取机械臂和深度相机的标定图像 robot_images = sorted(glob.glob('robot_calib_images/*.jpg')) depth_images = sorted(glob.glob('depth_calib_images/*.png')) # 从标定图像中提取角点 robot_criteria = (cv2.TERM_CRITERIA_EPS + cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER, 30, 0.001) depth_criteria = (cv2.TERM_CRITERIA_EPS + cv2.TERM_CRITERIA_MAX_ITER, 30, 0.001) robot_objp = np.zeros((6*7,3), np.float32) robot_objp[:,:2] = np.mgrid[0:7,0:6].T.reshape(-1,2) depth_objp = np.zeros((6*7,3), np.float32) depth_objp[:,:2] = np.mgrid[0:7,0:6].T.reshape(-1,2) robot_objpoints = [] depth_objpoints = [] robot_imgpoints = [] depth_imgpoints = [] for robot_img, depth_img in zip(robot_images, depth_images): robot_img = cv2.imread(robot_img) depth_img = cv2.imread(depth_img, cv2.IMREAD_UNCHANGED) gray_robot = cv2.cvtColor(robot_img, cv2.COLOR_BGR2GRAY) gray_depth = cv2.cvtColor(depth_img, cv2.COLOR_BGR2GRAY) ret_robot, corners_robot = cv2.findChessboardCorners(gray_robot, (7,6), None) ret_depth, corners_depth = cv2.findChessboardCorners(gray_depth, (7,6), None) if ret_robot and ret_depth: robot_objpoints.append(robot_objp) depth_objpoints.append(depth_objp) corners_robot = cv2.cornerSubPix(gray_robot,corners_robot,(11,11),(-1,-1),robot_criteria) corners_depth = cv2.cornerSubPix(gray_depth,corners_depth,(11,11),(-1,-1),depth_criteria) robot_imgpoints.append(corners_robot) depth_imgpoints.append(corners_depth) # 进行机械臂和深度相机的手眼标定 retval, robot_matrix, robot_distCoeffs, robot_rvecs, robot_tvecs = cv2.calibrateCamera(robot_objpoints, robot_imgpoints, gray_robot.shape[::-1], None, None) retval, depth_matrix, depth_distCoeffs, depth_rvecs, depth_tvecs = cv2.calibrateCamera(depth_objpoints, depth_imgpoints, gray_depth.shape[::-1], None, None) for robot_rvec, robot_tvec, depth_rvec, depth_tvec in zip(robot_rvecs, robot_tvecs, depth_rvecs, depth_tvecs): robot_rmat, _ = cv2.Rodrigues(robot_rvec) depth_rmat, _ = cv2.Rodrigues(depth_rvec) robot_pose.append(np.hstack((robot_rmat, robot_tvec))) depth_pose.append(np.hstack((depth_rmat, depth_tvec))) robot_pose_inv.append(np.hstack((robot_rmat.T, -robot_rmat.T.dot(robot_tvec)))) depth_pose_inv.append(np.hstack((depth_rmat.T, -depth_rmat.T.dot(depth_tvec)))) robot_pose = np.array(robot_pose) depth_pose = np.array(depth_pose) robot_pose_inv = np.array(robot_pose_inv) depth_pose_inv = np.array(depth_pose_inv) H = np.zeros((3,3)) for i in range(len(robot_pose)): H += np.dot(robot_pose[i], depth_pose_inv[i]) U, S, V = np.linalg.svd(H) R = np.dot(U, V) T = np.dot(depth_pose.mean(axis=0)[:3], R.T) - np.dot(robot_pose.mean(axis=0)[:3], R.T) # 输出标定结果 print('Robot camera matrix:\n', robot_matrix) print('Robot distortion coefficients:\n', robot_distCoeffs) print('Depth camera matrix:\n', depth_matrix) print('Depth distortion coefficients:\n', depth_distCoeffs) print('Rotation matrix:\n', R) print('Translation vector:\n', T) ``` 这段程序首先读取了机械臂和深度相机的标定图像,并从中提取出角点。然后,使用这些角点进行机械臂和深度相机的相机内参数标定,得到了相机矩阵和畸变系数。接着,使用这些角点进行机械臂和深度相机的手眼标定,得到了机械臂和深度相机之间的转换矩阵。最后,使用SVD方法求解旋转矩阵和平移向量,输出标定结果。
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