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KITTI数据集可视化（一）：点云多种视图的可视化实现_kitti可视化

作者：从前慢现在也慢 | 2024-02-19 19:53:46

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kitti可视化

如有错误，恳请指出。

在本地上，可以安装一些软件，比如：Meshlab，CloudCompare等3D查看工具来对点云进行可视化。而这篇博客是将介绍一些代码工具将KITTI数据集进行可视化操作，包括点云鸟瞰图，FOV图，以及标注信息在图像+点云上的显示。

文章目录

1. 数据集准备

KITTI数据集作为自动驾驶领域的经典数据集之一，比较适合我这样的新手入门。以下资料是为了实现对KITTI数据集的可视化操作。首先在官网下载对应的数据：http://www.cvlibs.net/datasets/kitti/eval_object.php?obj_benchmark=3d，下载后数据的目录文件结构如下所示：

├── dataset
│   ├── KITTI
│   │   ├── object
│   │   │   ├──KITTI
│   │   │      ├──ImageSets
│   │   │   ├──training
│   │   │      ├──calib & velodyne & label_2 & image_2

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2. 环境准备

这里使用了一个kitti数据集可视化的开源代码：https://github.com/kuixu/kitti_object_vis，按照以下操作新建一个虚拟环境，并安装所需的工具包。其中千万不要安装python3.7以上的版本，因为vtk不支持。

# 新建python=3.7的虚拟环境
conda create -n kitti_vis python=3.7 # vtk does not support python 3.8
conda activate kitti_vis

# 安装opencv, pillow, scipy, matplotlib工具包
pip install opencv-python pillow scipy matplotlib

# 安装3D可视化工具包（以下指令会自动安转所需的vtk与pyqt5）
conda install mayavi -c conda-forge

# 测试
python kitti_object.py --show_lidar_with_depth --img_fov --const_box --vis

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3. KITTI数据集可视化

下面依次展示 KITTI 数据集可视化结果，这里通过设置 data_idx=10 来展示编号为000010的数据，代码中dataset需要修改为数据集实际路径。（最后会贴上完整代码）

def visualization():
    import mayavi.mlab as mlab
    dataset = kitti_object(os.path.join(ROOT_DIR, '../dataset/KITTI/object'))
    
    # determine data_idx
    data_idx = 100
    
    # Load data from dataset
    objects = dataset.get_label_objects(data_idx) 
    print("There are %d objects.", len(objects))
    img = dataset.get_image(data_idx)             
    img = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2RGB)
    img_height, img_width, img_channel = img.shape 
    pc_velo = dataset.get_lidar(data_idx)[:,0:3]  
    calib = dataset.get_calibration(data_idx)   

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代码来源于参考资料，在后面会贴上我自己修改的测试代码。以下包含9种可视化的操作：

  • 1. 图像显示
def show_image(self):
    Image.fromarray(self.img).show()
    cv2.waitKey(0)

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结果展示：

在这里插入图片描述

  • 2. 图片上绘制2D bbox
    def show_image_with_2d_boxes(self):
        show_image_with_boxes(self.img, self.objects, self.calib, show3d=False)
        cv2.waitKey(0)

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结果展示：

在这里插入图片描述

  • 3. 图片上绘制3D bbox
    def show_image_with_3d_boxes(self):
        show_image_with_boxes(self.img, self.objects, self.calib, show3d=True)
        cv2.waitKey(0)

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结果展示：

在这里插入图片描述

  • 4. 图片上绘制Lidar投影
    def show_image_with_lidar(self):
        show_lidar_on_image(self.pc_velo, self.img, self.calib, self.img_width, self.img_height)
        mlab.show()

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结果展示：

在这里插入图片描述

  • 5. Lidar绘制3D bbox
    def show_lidar_with_3d_boxes(self):
        show_lidar_with_boxes(self.pc_velo, self.objects, self.calib, True, self.img_width, self.img_height)
        mlab.show()

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结果展示：

在这里插入图片描述

  • 6. Lidar绘制FOV图
    def show_lidar_with_fov(self):
        imgfov_pc_velo, pts_2d, fov_inds = get_lidar_in_image_fov(self.pc_velo, self.calib,
                                                                  0, 0, self.img_width, self.img_height, True)
        draw_lidar(imgfov_pc_velo)
        mlab.show()

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结果展示：

在这里插入图片描述

  • 7. Lidar绘制3D图
    def show_lidar_with_3dview(self):
        draw_lidar(self.pc_velo)
        mlab.show()

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结果展示：

在这里插入图片描述

  • 8. Lidar绘制BEV图

BEV图的显示与其他视图不一样，这里的代码需要有点改动，因为这里需要lidar点云的其他维度信息，所以输入不仅仅是xyz三个维度。改动代码：

# 初始
pc_velo = dataset.get_lidar(data_idx)[:, 0:3]

# 改为（要增加其他维度才可以查看BEV视图）
pc_velo = dataset.get_lidar(data_idx)[:, 0:4]

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测试代码：

    def show_lidar_with_bev(self):
        from kitti_util import draw_top_image, lidar_to_top
        top_view = lidar_to_top(self.pc_velo)
        top_image = draw_top_image(top_view)
        cv2.imshow("top_image", top_image)
        cv2.waitKey(0)

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结果展示：

在这里插入图片描述

  • 9. Lidar绘制BEV图+2D bbox

同样，这里的代码改动与3.8节一样，需要点云的其他维度信息

    def show_lidar_with_bev_2d_bbox(self):
        show_lidar_topview_with_boxes(self.pc_velo, self.objects, self.calib)
        mlab.show()

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结果展示：

在这里插入图片描述

  • 完整测试代码

参考代码：

import mayavi.mlab as mlab
from kitti_object import kitti_object, show_image_with_boxes, show_lidar_on_image, \
    show_lidar_with_boxes, show_lidar_topview_with_boxes, get_lidar_in_image_fov, \
    show_lidar_with_depth
from viz_util import draw_lidar
import cv2
from PIL import Image
import time

class visualization:
    # data_idx: determine data_idx
    def __init__(self, root_dir=r'E:\Study\Machine Learning\Dataset3d\kitti', data_idx=100):
        dataset = kitti_object(root_dir=root_dir)

        # Load data from dataset
        objects = dataset.get_label_objects(data_idx)
        print("There are {} objects.".format(len(objects)))
        img = dataset.get_image(data_idx)
        img = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2RGB)
        img_height, img_width, img_channel = img.shape
        pc_velo = dataset.get_lidar(data_idx)[:, 0:3]  # 显示bev视图需要改动为[:, 0:4]
        calib = dataset.get_calibration(data_idx)

        # init the params
        self.objects = objects
        self.img = img
        self.img_height = img_height
        self.img_width = img_width
        self.img_channel = img_channel
        self.pc_velo = pc_velo
        self.calib = calib

    # 1. 图像显示
    def show_image(self):
        Image.fromarray(self.img).show()
        cv2.waitKey(0)

    # 2. 图片上绘制2D bbox
    def show_image_with_2d_boxes(self):
        show_image_with_boxes(self.img, self.objects, self.calib, show3d=False)
        cv2.waitKey(0)

    # 3. 图片上绘制3D bbox
    def show_image_with_3d_boxes(self):
        show_image_with_boxes(self.img, self.objects, self.calib, show3d=True)
        cv2.waitKey(0)

    # 4. 图片上绘制Lidar投影
    def show_image_with_lidar(self):
        show_lidar_on_image(self.pc_velo, self.img, self.calib, self.img_width, self.img_height)
        mlab.show()

    # 5. Lidar绘制3D bbox
    def show_lidar_with_3d_boxes(self):
        show_lidar_with_boxes(self.pc_velo, self.objects, self.calib, True, self.img_width, self.img_height)
        mlab.show()

    # 6. Lidar绘制FOV图
    def show_lidar_with_fov(self):
        imgfov_pc_velo, pts_2d, fov_inds = get_lidar_in_image_fov(self.pc_velo, self.calib,
                                                                  0, 0, self.img_width, self.img_height, True)
        draw_lidar(imgfov_pc_velo)
        mlab.show()

    # 7. Lidar绘制3D图
    def show_lidar_with_3dview(self):
        draw_lidar(self.pc_velo)
        mlab.show()

    # 8. Lidar绘制BEV图
    def show_lidar_with_bev(self):
        from kitti_util import draw_top_image, lidar_to_top
        top_view = lidar_to_top(self.pc_velo)
        top_image = draw_top_image(top_view)
        cv2.imshow("top_image", top_image)
        cv2.waitKey(0)

    # 9. Lidar绘制BEV图+2D bbox
    def show_lidar_with_bev_2d_bbox(self):
        show_lidar_topview_with_boxes(self.pc_velo, self.objects, self.calib)
        mlab.show()


if __name__ == '__main__':
    kitti_vis = visualization()
    # kitti_vis.show_image()
    # kitti_vis.show_image_with_2d_boxes()
    # kitti_vis.show_image_with_3d_boxes()
    # kitti_vis.show_image_with_lidar()
    # kitti_vis.show_lidar_with_3d_boxes()
    # kitti_vis.show_lidar_with_fov()
    # kitti_vis.show_lidar_with_3dview()
    # kitti_vis.show_lidar_with_bev()
    kitti_vis.show_lidar_with_bev_2d_bbox()

    # print('...')
    # cv2.waitKey(0)

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此外，下面再提供两份可视化代码。

4. 点云可视化

这里的同样使用的是上述的图例，且直接输入的KITTI数据集的.bin文件，即可显示点云图像。

  • 参考代码：
import numpy as np
import mayavi.mlab
import os

# 000010.bin这里需要填写文件的位置
# bin_file = '../data/object/training/velodyne/000000.bin'
# assert os.path.exists(bin_file), "{} is not exists".format(bin_file)

kitti_file = r'E:\Study\Machine Learning\Dataset3d\kitti\training\velodyne\000100.bin'
pointcloud = np.fromfile(file=kitti_file, dtype=np.float32, count=-1).reshape([-1, 4])
# pointcloud = np.fromfile(str("000010.bin"), dtype=np.float32, count=-1).reshape([-1, 4])

print(pointcloud.shape)
x = pointcloud[:, 0]  # x position of point
y = pointcloud[:, 1]  # y position of point
z = pointcloud[:, 2]  # z position of point
r = pointcloud[:, 3]  # reflectance value of point
d = np.sqrt(x ** 2 + y ** 2)  # Map Distance from sensor

vals = 'height'
if vals == "height":
    col = z
else:
    col = d

fig = mayavi.mlab.figure(bgcolor=(0, 0, 0), size=(640, 500))
mayavi.mlab.points3d(x, y, z,
                     col,  # Values used for Color
                     mode="point",
                     colormap='spectral',  # 'bone', 'copper', 'gnuplot'
                     # color=(0, 1, 0),   # Used a fixed (r,g,b) instead
                     figure=fig,
                     )

x = np.linspace(5, 5, 50)
y = np.linspace(0, 0, 50)
z = np.linspace(0, 5, 50)
mayavi.mlab.plot3d(x, y, z)
mayavi.mlab.show()

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  • 输出结果：

在这里插入图片描述

ps：这里的输出点云结果相比上面的点云输出结果更加的完善，而且参考的中心坐标点也不一样。

5. 鸟瞰图可视化

代码中的鸟瞰图范围可以自行设置。同样，输入的也只需要是.bin文件即可展示其鸟瞰图。

  • 参考代码：
import numpy as np
from PIL import Image
import matplotlib.pyplot as plt

# 点云读取:000010.bin这里需要填写文件的位置
kitti_file = r'E:\Study\Machine Learning\Dataset3d\kitti\training\velodyne\000100.bin'
pointcloud = np.fromfile(file=kitti_file, dtype=np.float32, count=-1).reshape([-1, 4])

# 设置鸟瞰图范围
side_range = (-40, 40)  # 左右距离
# fwd_range = (0, 70.4)  # 后前距离
fwd_range = (-70.4, 70.4)

x_points = pointcloud[:, 0]
y_points = pointcloud[:, 1]
z_points = pointcloud[:, 2]

# 获得区域内的点
f_filt = np.logical_and(x_points > fwd_range[0], x_points < fwd_range[1])
s_filt = np.logical_and(y_points > side_range[0], y_points < side_range[1])
filter = np.logical_and(f_filt, s_filt)
indices = np.argwhere(filter).flatten()
x_points = x_points[indices]
y_points = y_points[indices]
z_points = z_points[indices]

res = 0.1  # 分辨率0.05m
x_img = (-y_points / res).astype(np.int32)
y_img = (-x_points / res).astype(np.int32)
# 调整坐标原点
x_img -= int(np.floor(side_range[0]) / res)
y_img += int(np.floor(fwd_range[1]) / res)
print(x_img.min(), x_img.max(), y_img.min(), x_img.max())

# 填充像素值
height_range = (-2, 0.5)
pixel_value = np.clip(a=z_points, a_max=height_range[1], a_min=height_range[0])


def scale_to_255(a, min, max, dtype=np.uint8):
    return ((a - min) / float(max - min) * 255).astype(dtype)


pixel_value = scale_to_255(pixel_value, height_range[0], height_range[1])

# 创建图像数组
x_max = 1 + int((side_range[1] - side_range[0]) / res)
y_max = 1 + int((fwd_range[1] - fwd_range[0]) / res)
im = np.zeros([y_max, x_max], dtype=np.uint8)
im[y_img, x_img] = pixel_value

# imshow （灰度）
im2 = Image.fromarray(im)
im2.show()

# imshow （彩色）
# plt.imshow(im, cmap="nipy_spectral", vmin=0, vmax=255)
# plt.show()


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在这里插入图片描述
后续的工作会加深对点云数据的理解，整个可视化项目的工程见：KITTI数据集的可视化项目，有需要的朋友可以自行下载。

参考资料：

1. KITTI自动驾驶数据集可视化教程

2. kitti数据集在3D目标检测中的入门

3. kitti数据集在3D目标检测中的入门(二)可视化详解

4. kitti_object_vis项目

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