一、前言

在三維點(diǎn)云處理與可視化中，固定視角批量生成點(diǎn)云渲染截圖是一個(gè)常見(jiàn)的需求。例如，想要將同一系列的點(diǎn)云（PCD 文件）在同樣的視角下生成序列圖片，以便后續(xù)合成為視頻或進(jìn)行其他可視化演示。本文將介紹如何使用 Python + Open3D 實(shí)現(xiàn)批量加載 PCD 文件、設(shè)置統(tǒng)一的相機(jī)視角，并導(dǎo)出渲染截圖。

二、環(huán)境準(zhǔn)備

1. Python 環(huán)境：建議使用 Python 3.7+。
2. Open3D 庫(kù)：本文使用的是 open3d 和 open3d.visualization.gui。安裝方式如下：

   pip install open3d
   

3. 其他依賴庫(kù)：
   • numpy
   • pickle
   • glob
   • time
   • os
     如果缺少對(duì)應(yīng)的庫(kù)，使用 pip install 庫(kù)名 即可。

三、代碼解析

下面的代碼分為幾個(gè)主要部分：

1. 相機(jī)矩陣轉(zhuǎn)換：將 Open3D 的模型矩陣轉(zhuǎn)換為外參矩陣。
2. 相機(jī)內(nèi)參生成：根據(jù)視口大小與視場(chǎng)角（FOV）生成相機(jī)內(nèi)參。
3. 保存與加載相機(jī)視角：使用 pickle 將當(dāng)前相機(jī)的內(nèi)外參持久化保存，方便在下次使用時(shí)快速恢復(fù)相機(jī)位置。
4. 批量處理函數(shù)：遍歷指定文件夾下所有 .pcd 文件，加載點(diǎn)云、應(yīng)用相機(jī)視角、并自動(dòng)保存渲染截圖。
5. 主函數(shù)：在 if __name__ == "__main__": 中調(diào)用批處理函數(shù)，或先進(jìn)行單獨(dú)的相機(jī)視角設(shè)置保存操作。

完整代碼如下（可直接復(fù)制使用）：

import numpy as np
import open3d as o3d
import open3d.visualization.gui as gui
from pickle import load, dump
import os
import glob
import time# 用于將坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為OpenGL風(fēng)格
ToGLCamera = np.array([[1,  0,  0,  0],[0, -1,  0,  0],[0,  0, -1,  0],[0,  0,  0,  1]
])
FromGLGamera = np.linalg.inv(ToGLCamera)def model_matrix_to_extrinsic_matrix(model_matrix):"""將Open3D的model_matrix轉(zhuǎn)換為外參矩陣"""return np.linalg.inv(model_matrix @ FromGLGamera)def create_camera_intrinsic_from_size(width=1024, height=768, hfov=60.0, vfov=60.0):"""根據(jù)視口大小與水平/垂直FOV生成相機(jī)內(nèi)參"""fx = (width / 2.0) / np.tan(np.radians(hfov) / 2)fy = (height / 2.0) / np.tan(np.radians(vfov) / 2)return np.array([[fx, 0, width / 2.0],[0, fy, height / 2.0],[0, 0,  1]])def save_view(vis, fname='saved_view.pkl'):"""保存當(dāng)前可視化窗口的相機(jī)視角（內(nèi)參、外參、圖像尺寸）"""try:model_matrix = np.asarray(vis.scene.camera.get_model_matrix())extrinsic = model_matrix_to_extrinsic_matrix(model_matrix)width, height = vis.size.width, vis.size.heightintrinsic = create_camera_intrinsic_from_size(width, height)saved_view = dict(extrinsic=extrinsic, intrinsic=intrinsic, width=width, height=height)with open(fname, 'wb') as pickle_file:dump(saved_view, pickle_file)print(f"Camera view saved to {fname}")except Exception as e:print("Error saving view:", e)def load_view(vis, fname="saved_view.pkl"):"""加載已保存的相機(jī)視角（內(nèi)參、外參、圖像尺寸）"""try:with open(fname, 'rb') as pickle_file:saved_view = load(pickle_file)vis.setup_camera(saved_view['intrinsic'], saved_view['extrinsic'],saved_view['width'], saved_view['height'])print(f"Camera view loaded from {fname}")except Exception as e:print("Can't load view file:", e)def process_pcd_folder(input_folder, output_folder, view_file='saved_view.pkl'):"""批量處理文件夾中的所有 PCD 文件，應(yīng)用指定視角并保存截圖"""os.makedirs(output_folder, exist_ok=True)pcd_files = sorted(glob.glob(os.path.join(input_folder, "*.pcd")))if not pcd_files:print(f"No PCD files found in {input_folder}")returnprint(f"Found {len(pcd_files)} PCD files")# 初始化GUIgui.Application.instance.initialize()vis = o3d.visualization.O3DVisualizer("PCD Batch Renderer", 1920, 1080)gui.Application.instance.add_window(vis)# 設(shè)置渲染參數(shù)vis.point_size = 4vis.show_axes = Falsevis.show_skybox(False)def process_next(idx):if idx >= len(pcd_files):print("Batch processing completed!")gui.Application.instance.quit()returnpcd_file = pcd_files[idx]print(f"Processing {idx+1}/{len(pcd_files)}: {os.path.basename(pcd_file)}")try:# 加載點(diǎn)云文件pcd = o3d.io.read_point_cloud(pcd_file)geom_name = f"PointCloud_{idx}"# 清除之前所有幾何體，確保內(nèi)存資源不會(huì)累積if idx > 0:vis.remove_geometry(f"PointCloud_{idx-1}")vis.add_geometry(geom_name, pcd)# 加載預(yù)先保存的視角load_view(vis, view_file)# 構(gòu)建輸出路徑base_name = os.path.splitext(os.path.basename(pcd_file))[0]output_path = os.path.join(output_folder, f"{base_name}.png")def take_screenshot():# 延遲1秒以確保視角和渲染完全加載time.sleep(1)vis.export_current_image(output_path)print(f"Screenshot saved to {output_path}")# 處理完當(dāng)前文件后，處理下一個(gè)process_next(idx + 1)# 使用post_to_main_thread確保截圖任務(wù)在GUI線程執(zhí)行gui.Application.instance.post_to_main_thread(vis, take_screenshot)except Exception as e:print(f"Error processing {pcd_file}: {e}")# 出錯(cuò)時(shí)跳過(guò)當(dāng)前文件，繼續(xù)下一個(gè)process_next(idx + 1)# 開(kāi)始處理第一個(gè)文件process_next(0)gui.Application.instance.run()def batch_process():"""主函數(shù)：指定輸入、輸出文件夾以及相機(jī)視角文件，然后進(jìn)行批量處理"""input_folder = './input'output_folder = './screenshots'os.makedirs(output_folder, exist_ok=True)view_file = 'saved_view.pkl'process_pcd_folder(input_folder, output_folder, view_file)if __name__ == "__main__":# 若需要先設(shè)置視角，運(yùn)行 save_view 所在的邏輯# 若已設(shè)置好視角，運(yùn)行 batch_process()批量處理batch_process()

1. 代碼主要流程

• 讀取文件列表：通過(guò) glob.glob 獲取指定文件夾下的所有 .pcd 文件并排序。
• 初始化 Open3D GUI：使用 O3DVisualizer 進(jìn)行可視化。
• 循環(huán)處理每個(gè) PCD：
  1. 讀取點(diǎn)云數(shù)據(jù) pcd = o3d.io.read_point_cloud(...)
  2. 加載之前保存的視角參數(shù) load_view(vis, view_file)
  3. 設(shè)置幾何體到渲染窗口
  4. 通過(guò) vis.export_current_image(...) 將當(dāng)前視圖截圖保存
• 處理結(jié)束后退出：當(dāng)全部 .pcd 文件處理完畢，自動(dòng)退出 GUI。

2. 視角保存與加載

• save_view(vis, fname='saved_view.pkl')：從當(dāng)前的 vis.scene.camera 獲取 model_matrix，然后計(jì)算外參矩陣、內(nèi)參矩陣并存儲(chǔ)到一個(gè)字典中，通過(guò) pickle 持久化到 saved_view.pkl 文件。
• load_view(vis, fname='saved_view.pkl')：從文件中讀取上述字典，調(diào)用 vis.setup_camera(...) 將相機(jī)恢復(fù)到保存時(shí)的視角。

這樣做的好處是，我們可以先交互式地在 Open3D 中調(diào)整一個(gè)理想的點(diǎn)云視角，然后保存該視角。后續(xù)就可以用同樣的參數(shù)去渲染其他點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)“統(tǒng)一視角”輸出。

3. 視角設(shè)置的兩種方式

1. 先在單個(gè)點(diǎn)云上用腳本交互式設(shè)置并保存：
   • 先運(yùn)行一個(gè)類似的腳本，只加載一個(gè)點(diǎn)云，不做批處理。
   • 在界面中使用鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)/平移點(diǎn)云至理想位置，然后調(diào)用 save_view(vis)。
2. 直接修改代碼中的相機(jī)參數(shù)：如果你對(duì)內(nèi)參、外參很熟悉，也可以直接硬編碼想要的矩陣。

四、使用說(shuō)明

1. 準(zhǔn)備 PCD 文件：將所有需要處理的 .pcd 文件放在同一個(gè)文件夾中。
2. 保存視角（可選）：
   • 若你已知道要使用的視角參數(shù)，可以跳過(guò)這一步；否則先寫(xiě)個(gè)簡(jiǎn)單腳本，加載一兩個(gè) PCD 文件后，通過(guò)交互操作找到滿意的視角，執(zhí)行 save_view(vis)。
   • 此時(shí)會(huì)生成一個(gè) saved_view.pkl 文件，里面記錄了相機(jī)的內(nèi)外參。
3. 運(yùn)行批處理：
   • 修改 batch_process() 中的 input_folder 和 output_folder 為你的輸入、輸出路徑。
   • 運(yùn)行腳本后，Open3D 窗口會(huì)依次加載每個(gè) .pcd，應(yīng)用保存好的視角，然后自動(dòng)截圖并存儲(chǔ)到 output_folder 中。

在所有點(diǎn)云都處理完后，你就能在輸出文件夾下看到對(duì)應(yīng)的 .png 文件序列。

五、結(jié)果展示

下面是一張示例截圖，展示了點(diǎn)云在固定視角下的渲染效果（僅做示意，非實(shí)際數(shù)據(jù)）：

六、后續(xù)擴(kuò)展

1. 生成視頻：如果想將渲染好的序列圖片合成為視頻，可使用 ffmpeg，示例命令如下：

   ffmpeg -framerate 10 -i labeled_sync_frame_%03d.png -c:v libx264 -pix_fmt yuv420p output.mp4
   

   其中 -framerate 10 表示每秒 10 幀，可根據(jù)需要調(diào)整。
2. 更多可視化選項(xiàng)：如改變 point_size、背景顏色、或添加坐標(biāo)軸等，可參考 Open3D 文檔或修改 O3DVisualizer 的屬性。
3. 其他文件格式：如果想批量處理 .ply 或 .xyz，只需要在代碼中修改對(duì)應(yīng)的讀取方式，以及 glob.glob 匹配模式即可。

七、總結(jié)

通過(guò)上述方法，可以輕松地在同一視角下對(duì)多份點(diǎn)云進(jìn)行批量渲染和截圖，適用于制作點(diǎn)云動(dòng)畫(huà)、對(duì)比分析等場(chǎng)景。核心思想是事先保存好相機(jī)參數(shù)，并在批處理過(guò)程中為每個(gè)點(diǎn)云恢復(fù)相同的內(nèi)外參，保證輸出圖像的視角一致。希望對(duì)你的三維可視化工作有所幫助，歡迎交流討論！