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# 列车点云测量系统
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基于配置驱动的点云测量系统，支持多种测量任务类型。通过YAML配置文件定义测量任务，自动完成ROI提取、平面拟合、距离计算，并生成Excel报告和可视化点云文件。
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## 项目结构
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```
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train_measurement_system/
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├── config/
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│ └── measurements.yaml # 测量任务配置文件
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├── src/
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│ ├── __init__.py # 包初始化文件
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│ ├── measurements/
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│ │ ├── __init__.py # 子包初始化文件
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│ │ ├── base.py # 测量任务基类
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│ │ ├── plane_distance.py # 平面到平面距离测量
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│ │ ├── point_to_plane.py # 点到平面距离测量
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│ │ └── point_to_point.py # 点到点距离测量
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│ ├── config_loader.py # 配置加载器
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│ ├── task_manager.py # 任务管理器
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│ ├── roi_extractor.py # ROI提取
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│ ├── plane_fitter.py # 平面拟合（RANSAC）
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│ ├── pointcloud_loader.py # 点云加载
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│ ├── visualizer.py # 可视化工具
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│ └── excel_exporter.py # Excel导出
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├── results/ # 测量结果输出目录（Excel文件）
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├── visualizations/ # 可视化点云输出目录（PLY文件）
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├── main.py # 主程序入口
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├── pyproject.toml # 项目配置文件（PEP 621）
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├── setup.py # 安装脚本（向后兼容）
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├── requirements.txt # 依赖清单
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├── USAGE.md # 使用说明
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└── README.md # 本文件
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```
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## 功能特性
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- **配置驱动**: 通过YAML配置文件定义测量任务，无需修改代码
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- **多任务类型**: 支持平面到平面、点到平面、点到点三种测量类型
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- **批量处理**: 一次运行可执行多个测量任务
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- **自动可视化**: 自动保存每个任务的ROI点云（PLY格式）
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- **结果导出**: 自动生成格式化的Excel报告，包含详细统计信息
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- **鲁棒性强**: RANSAC平面拟合，自动处理离群点和噪声
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- **错误处理**: 单个任务失败不影响其他任务执行
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- **可扩展**: 易于添加新的测量类型
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## 环境要求
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- Python 3.9+
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- 推荐使用 conda 环境管理
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## 快速开始
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### 1. 创建并激活环境
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```bash
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# 创建 conda 环境
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conda create -n pcc-experiment python=3.9
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conda activate pcc-experiment
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```
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### 2. 安装依赖
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**方式一：使用 requirements.txt**
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```bash
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pip install -r requirements.txt
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```
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**方式二：安装项目**
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```bash
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# 正常安装
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pip install .
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# 或开发模式安装（代码修改立即生效）
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pip install -e .
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```
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安装项目会自动安装所有依赖包，并将项目注册到 Python 环境中。
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### 2. 准备点云文件
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确保你有完整的列车点云文件（PLY格式），例如：
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```
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D:\lab\PCC\PCC\head_train_pointcloud\train_2_100M.ply
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```
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### 3. 配置测量任务
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编辑 `config/measurements.yaml`，设置点云文件路径和测量任务。
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**支持相对路径（相对于配置文件）或绝对路径：**
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```yaml
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# 相对路径（推荐）
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pointcloud_file: "../../../head_train_pointcloud/train_2_100M.ply"
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# 或绝对路径
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pointcloud_file: "D:\\lab\\PCC\\PCC\\head_train_pointcloud\\train_2_100M.ply"
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tasks:
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- name: "任务21_侧门高度"
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type: "plane_to_plane"
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enabled: true
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description: "测量侧门顶部到底部的距离"
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visualization_dir: "visualizations"
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||
source_roi:
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bbox_min: [-2500, 3358, -1545]
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||
bbox_max: [-1500, 3362, -1525]
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||
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||
target_roi:
|
||
bbox_min: [-2500, 1180, -1621]
|
||
bbox_max: [-1500, 1180, -1500]
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||
params:
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||
sample_points: 100
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||
ransac_threshold: 2.0
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||
ransac_max_iterations: 1000
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||
min_inlier_ratio: 0.6
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```
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### 4. 运行测量
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```bash
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# 使用默认配置文件
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python main.py
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# 指定配置文件
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python main.py -c config/custom.yaml
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# 指定点云文件（覆盖配置文件中的路径）
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python main.py -p data/train.ply
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# 指定输出目录
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python main.py -o results/
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# 组合使用
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python main.py -c config/custom.yaml -p data/train.ply -o results/
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```
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**命令行参数：**
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- `-c, --config`: 配置文件路径（默认: config/measurements.yaml）
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- `-p, --pointcloud`: 点云文件路径（覆盖配置文件）
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- `-o, --output`: 结果输出目录（默认: results/）
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### 5. 查看结果
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**Excel报告：** 保存在 `results/` 目录下
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- 文件名格式：`measurement_results_YYYYMMDD_HHMMSS.xlsx`
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- 包含每个任务的详细统计信息：
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- 任务名称、类型、描述
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- 点位参数（ROI 范围、目标点坐标等）
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- 测量数据（平均距离、标准差、最小/最大距离）
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- 采样点数、ROI 点数、内点率
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- 错误信息（如果失败）
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**可视化点云：** 保存在 `visualizations/` 目录下
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- 文件格式：PLY
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- 可使用CloudCompare或Open3D查看
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- 用于验证ROI提取和测量点位置是否正确
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## 测量类型详解
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### 1. plane_to_plane（平面到平面距离）
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从源平面采样点，计算到目标平面的距离。适用于测量车门高度、车体长度、窗口高度等。
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**工作流程：**
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1. 从source_roi包围盒提取点云
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2. 使用RANSAC拟合源平面
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3. 从拟合的内点中随机采样指定数量的点
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4. 从target_roi包围盒提取点云
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5. 使用RANSAC拟合目标平面
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6. 计算采样点到目标平面的有向距离
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||
7. 统计平均值、标准差、最小/最大距离
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||
**配置参数：**
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```yaml
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||
type: "plane_to_plane"
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||
source_roi:
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||
bbox_min: [x_min, y_min, z_min]
|
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bbox_max: [x_max, y_max, z_max]
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||
target_roi:
|
||
bbox_min: [x_min, y_min, z_min]
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||
bbox_max: [x_max, y_max, z_max]
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||
params:
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||
sample_points: 100 # 采样点数
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||
ransac_threshold: 2.0 # RANSAC距离阈值（mm）
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ransac_max_iterations: 1000 # RANSAC最大迭代次数
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||
min_inlier_ratio: 0.6 # 最小内点比例
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```
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**输出结果：**
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- 平均距离（mm）
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- 标准差（mm）
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- 最小/最大距离（mm）
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- 采样点数
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- Source ROI点数
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||
- Target ROI点数
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- 平面拟合内点率
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**可视化文件：**
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- `{任务名}_source_roi.ply`：源平面ROI点云
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||
- `{任务名}_target_roi.ply`：目标平面ROI点云
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---
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### 2. point_to_plane（点到平面距离）
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||
测量指定点到参考平面的距离。支持两种模式：精确坐标查找和包围盒筛选。
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||
**工作流程：**
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1. 根据模式获取测量点：
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- `exact_points`模式：在点云中查找最近点
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- `bbox_filtered`模式：从包围盒提取点云并筛选
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2. 从target_roi提取点云并拟合参考平面（目前的实现中，直接用z=0平面，不做拟合）
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||
3. 计算每个点到平面的距离
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4. 统计平均值、标准差等
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||
**配置参数（exact_points模式）：**
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||
```yaml
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||
type: "point_to_plane"
|
||
mode: "exact_points"
|
||
points:
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||
- [-753.5, 1052.5, 1445]
|
||
- [3446.5, 1053, 1445]
|
||
- [-753.5, 1052.5, -1445]
|
||
target_roi:
|
||
bbox_min: [x_min, y_min, z_min]
|
||
bbox_max: [x_max, y_max, z_max]
|
||
params:
|
||
search_radius: 50.0 # 查找最近点的搜索半径（mm）
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||
ransac_threshold: 2.0
|
||
ransac_max_iterations: 1000
|
||
min_inlier_ratio: 0.6
|
||
use_absolute_distance: true # 是否使用绝对距离
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||
```
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||
|
||
**配置参数（bbox_filtered模式）：**
|
||
```yaml
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||
type: "point_to_plane"
|
||
mode: "bbox_filtered"
|
||
source_rois:
|
||
- bbox_min: [x1_min, y1_min, z1_min]
|
||
bbox_max: [x1_max, y1_max, z1_max]
|
||
- bbox_min: [x2_min, y2_min, z2_min]
|
||
bbox_max: [x2_max, y2_max, z2_max]
|
||
filter:
|
||
type: "max_abs_coordinate" # 筛选类型
|
||
axis: "z" # 筛选坐标轴
|
||
top_n: 10 # 每个ROI选择前N个点
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||
target_roi:
|
||
bbox_min: [x_min, y_min, z_min]
|
||
bbox_max: [x_max, y_max, z_max]
|
||
params:
|
||
ransac_threshold: 2.0
|
||
ransac_max_iterations: 1000
|
||
min_inlier_ratio: 0.6
|
||
use_absolute_distance: true
|
||
```
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||
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||
**输出结果：**
|
||
- 平均距离（mm）
|
||
- 标准差（mm）
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||
- 最小/最大距离（mm）
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||
- 测量点数
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||
- Target ROI点数
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||
- 平面拟合内点率
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||
|
||
**可视化文件：**
|
||
- `{任务名}_found_points.ply`：测量点点云
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---
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### 3. point_to_point（点到点距离）
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||
测量点对之间的欧氏距离。支持对称点自动配对（例如测量关于z=0对称的点对）。
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||
**工作流程：**
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1. 获取测量点：在点云中查找最近点
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||
2. 根据z坐标符号自动配对（z>0和z<0的点配对）
|
||
3. 计算每对点之间的欧氏距离
|
||
4. 统计平均值、标准差等
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||
**配置参数：**
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``` yaml
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||
type: "point_to_point"
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||
# 点对配置（使用任务3的6个点，配对测量）
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point_pairs:
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||
- name: "前端点对"
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||
point1: [-753.5, 1052.5, -1445]
|
||
point2: [-753.5, 1052.5, 1445]
|
||
- name: "中间点对"
|
||
point1: [3446.5, 1053, -1445]
|
||
point2: [3446.5, 1053, 1445]
|
||
- name: "后端点对"
|
||
point1: [8146.5, 1053, -1445]
|
||
point2: [8146.5, 1053, 1445]
|
||
|
||
# 最近点搜索半径(mm)
|
||
search_radius: 10.0
|
||
```
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**输出结果：**
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- 平均距离（mm）
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||
- 标准差（mm）
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||
- 最小/最大距离（mm）
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||
- 点对数量
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||
**可视化文件：**
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||
- `{任务名}_found_points.ply`：包含测量点的点云
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---
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## 配置文件说明
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### 基本结构
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```yaml
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# 点云文件路径（必填）
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pointcloud_file: "D:\\path\\to\\pointcloud.ply"
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||
# 测量任务列表
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||
tasks:
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||
- name: "任务名称"
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||
type: "测量类型"
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||
enabled: true/false
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||
description: "任务描述"
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||
visualization_dir: "visualizations"
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||
# ... 其他参数
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```
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### 通用参数
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- `name`：任务名称（必填），用于标识任务和命名输出文件
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- `type`：测量类型（必填），可选值：`plane_to_plane`、`point_to_plane`、`point_to_point`
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||
- `enabled`：是否启用任务（必填），设为`false`可跳过该任务
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||
- `description`：任务描述（可选），用于文档说明
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- `visualization_dir`：可视化输出目录（可选），设置后会保存ROI点云文件
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||
### 包围盒格式
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所有包围盒使用以下格式，坐标单位为毫米（mm）：
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```yaml
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bbox_min: [x_min, y_min, z_min]
|
||
bbox_max: [x_max, y_max, z_max]
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||
```
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||
**坐标系说明：**
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||
- X轴：列车横向（车头到车尾）
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||
- Y轴：列车高度（底部到顶部）
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||
- Z轴：列车纵向（左侧到右侧）
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||
### RANSAC参数调优
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||
RANSAC用于平面拟合，以下参数影响拟合质量：
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||
- `ransac_threshold`：内点距离阈值（mm）
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||
- 较小值（1.0-2.0）：严格拟合，适合高质量点云
|
||
- 较大值（3.0-5.0）：宽松拟合，适合噪声较多的点云
|
||
|
||
- `ransac_max_iterations`：最大迭代次数
|
||
- 默认1000次，通常足够
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||
- 如果内点率很低，可增加到2000-5000
|
||
|
||
- `min_inlier_ratio`：最小内点比例
|
||
- 默认0.6（60%），表示至少60%的点在平面上
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||
- 如果点云包含多个平面或噪声多，可降低到0.4-0.5
|
||
|
||
**调优建议：**
|
||
1. 先运行一次，查看内点率
|
||
2. 如果内点率低于min_inlier_ratio，任务会失败
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||
3. 根据实际内点率调整参数：
|
||
- 内点率50%-60%：降低min_inlier_ratio或增大ransac_threshold
|
||
- 内点率>90%：可以提高要求，减小ransac_threshold
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||
|
||
---
|
||
|
||
## 添加新任务
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||
|
||
### 步骤1：确定测量类型
|
||
|
||
根据测量需求选择合适的类型：
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- **平面到平面距离**：车门高度、车体长度、窗口高度等
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||
- **点到平面距离**：特定点到参考平面的高度
|
||
- **点到点距离**：对称点对之间的距离
|
||
|
||
### 步骤2：确定ROI包围盒
|
||
|
||
**方法1：使用点云浏览器工具**
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||
|
||
|
||
**方法2：使用CloudCompare或Open3D或Freecad手动查看**
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||
- 打开点云文件
|
||
- 使用测量工具确定目标区域的坐标范围
|
||
- 记录包围盒的最小和最大坐标
|
||
|
||
### 步骤3：编辑配置文件
|
||
|
||
在 `config/measurements.yaml` 中添加新任务：
|
||
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||
```yaml
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||
- name: "新任务名称"
|
||
type: "plane_to_plane" # 或其他类型
|
||
enabled: true
|
||
description: "任务描述"
|
||
visualization_dir: "visualizations"
|
||
|
||
source_roi:
|
||
bbox_min: [x_min, y_min, z_min]
|
||
bbox_max: [x_max, y_max, z_max]
|
||
|
||
target_roi:
|
||
bbox_min: [x_min, y_min, z_min]
|
||
bbox_max: [x_max, y_max, z_max]
|
||
|
||
params:
|
||
sample_points: 100
|
||
ransac_threshold: 2.0
|
||
ransac_max_iterations: 1000
|
||
min_inlier_ratio: 0.6
|
||
```
|
||
|
||
### 步骤4：运行测试
|
||
|
||
```bash
|
||
python main.py
|
||
```
|
||
|
||
### 步骤5：验证结果
|
||
|
||
1. **查看Excel报告**：检查测量结果是否合理
|
||
2. **查看可视化点云**：使用CloudCompare或Open3D打开PLY文件
|
||
- 确认ROI提取的位置正确
|
||
- 确认平面拟合质量（内点率）
|
||
3. **调整参数**：如果结果不理想，调整包围盒或RANSAC参数
|
||
|
||
---
|
||
|
||
## 技术细节
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||
|
||
### 平面拟合算法
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||
|
||
系统使用Open3D的RANSAC算法进行平面拟合：
|
||
|
||
1. **随机采样**：从点云中随机选择3个点
|
||
2. **拟合平面**：计算平面方程 ax + by + cz + d = 0
|
||
3. **统计内点**：计算所有点到平面的距离，距离小于阈值的为内点
|
||
4. **迭代优化**：重复上述步骤，选择内点最多的平面
|
||
5. **最终拟合**：使用所有内点进行最小二乘拟合（SVD），得到最优平面
|
||
|
||
**平面方程：** ax + by + cz + d = 0
|
||
- (a, b, c)：平面法向量（单位向量）
|
||
- d：平面到原点的有向距离
|
||
|
||
### 距离计算
|
||
|
||
**点到平面距离：**
|
||
```
|
||
distance = |ax + by + cz + d| / sqrt(a² + b² + c²)
|
||
```
|
||
|
||
由于法向量已归一化（sqrt(a² + b² + c²) = 1），简化为：
|
||
```
|
||
distance = |ax + by + cz + d|
|
||
```
|
||
|
||
**有向距离：**
|
||
- 正值：点在法向量指向的一侧
|
||
- 负值：点在法向量相反的一侧
|
||
- 绝对距离：取绝对值，不考虑方向
|
||
|
||
**点到点距离（欧氏距离）：**
|
||
```
|
||
distance = sqrt((x2-x1)² + (y2-y1)² + (z2-z1)²)
|
||
```
|
||
|
||
|
||
### 性能优化
|
||
|
||
- **点云缓存**：点云文件只加载一次，所有任务共享
|
||
- **自动降采样**：ROI超过10000点时自动降采样到10000点进行SVD拟合
|
||
- **并行处理**：多个任务顺序执行，单个任务失败不影响其他任务
|
||
|