简单scipy.spatial.transform.Rotation.align_vectors测试脚本未返回正确的旋转

c8ib6hqw  于 11个月前  发布在  其他
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所以我试着让两个平面在中心在同一个地方的时候旋转,我失败了,所以我想出了这个非常简单的例子,两个矩形相对旋转90°,并写了下面的简短脚本

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字符串

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import numpy as np
import files
from scipy.spatial.transform import Rotation

from_ = np.genfromtxt(files.FROM)
to = np.genfromtxt(files.TO)

mean_from = np.mean(from_, axis=0)
mean_to = np.mean(to, axis=0)

centered_from = from_ - mean_from
centered_to = to - mean_to

rot,res = Rotation.align_vectors(centered_from,centered_to)
print(res)
sol = rot.as_quat()
print("({}f, {}f, {}f, {}f)".format(sol[0],sol[1],sol[2],sol[3]))

的数据
对于给定的向量集,最佳旋转不是唯一的或定义不好的。rot,res = Rotation.align_vectors(centered_from,centered_to)2.449489742783178(0.0f,0.0f,0.0f,1.0f)
为什么它会在这么简单的例子中失败呢?即使我使用一个更复杂的12点的例子,结果也不会正确对齐这些点。这些点在一个方向旋转90°,然后在另一个方向旋转180°
(复杂示例)* 点在一个方向上旋转90°,然后在另一个方向上旋转180° *

-1.061441 1.029105 0.3137982
-1.058325 0.6978046 0.3261206
-0.5160019 1.044142 0.5801408
-0.5128856 0.7128415 0.5924632
-0.5150666 1.089168 0.5781018
-0.5124189 0.733911 0.5916736
0.09491175 1.098186 0.6951484
0.09755945 0.7429286 0.7087202
-0.4337781 0.6063982 0.2094956
-0.3675401 0.5803195 0.08044138
-0.1081934 0.6057502 0.3767354
-0.04195532 0.5796715 0.2476811

0.6978049 -1.058325 -0.3261207
0.7128419 -0.5128859 -0.5924634
1.029105 -1.061442 -0.3137983
1.044142 -0.5160022 -0.580141
0.7339112 -0.512419 -0.5916737
0.7429286 0.09755942 -0.7087204
1.089168 -0.5150667 -0.5781019
1.098186 0.09491169 -0.6951486
0.5795034 -0.2047889 -0.1641395
0.5804876 -0.2047065 -0.1639829
0.6055822 -0.271027 -0.2931938
0.6065664 -0.2709446 -0.2930371


这就是我所做的一切,我不知道如何进一步解决这个问题

kuarbcqp

kuarbcqp1#

函数Rotation.align_vectors()假设两个矩阵中的向量顺序相同,但点的顺序不同。通过绘制它们可以看出这一点。
简单的例子from/to:
x1c 0d1x的数据



在from的例子中,它从(0,0)开始,移动到(1,0),对角移动到(2,0),然后移动到(1,2)。在to的例子中,它没有对角移动。没有旋转可以解决这个问题-它需要旋转和置换。
如果绘制复杂的示例,您会发现类似的结果。
为了解决这个问题,我尝试扩大搜索范围,以便搜索每个排列的每个旋转。
下面是我使用的代码:

import numpy as np
from scipy.spatial.transform import Rotation
import matplotlib.pyplot as plt
import math
import itertools
from tqdm import tqdm

def array_permutations(array):
    N = array.shape[0]
    for permute in itertools.permutations(range(N)):
        yield array[list(permute)], permute

def find_best_rotation(source, target):
    best_res = None
    best_rot = None
    best_perm = None
    for source_permuted, perm in tqdm(array_permutations(source), total=math.factorial(source.shape[0])):
        rot, res = Rotation.align_vectors(source_permuted, target)
        if best_res is None or res < best_res:
            best_res = res
            best_rot = rot
            best_perm = perm
    return best_rot, best_res, best_perm
    

limit = 8  # Only consider first N points of each dataset
rot, res, perm = find_best_rotation(from_[:limit], to[:limit])
print("({}f, {}f, {}f, {}f)".format(sol[0],sol[1],sol[2],sol[3]))

from_x = rot.apply(from_)[:, 0]
from_y = rot.apply(from_)[:, 1]
plt.figure(figsize=(6,6))
jitter = 0.005 # make points visible
plt.scatter(from_x + jitter, from_y + jitter)
plt.scatter(to[:, 0], to[:, 1])

字符串
这是它产生的结果:



关于此解决方案的一些说明:

  • 这只是搜索前8个点的排列,以保持易于处理。排列的数量随着阶乘而增加,因此这不会扩展到大量的点。搜索所有12个点的排列估计需要14小时。
  • 有些点似乎没有对应的点。在左边,有4个蓝色的点,但只有2个橙子的点。由于数据集中的其他点似乎匹配良好,我认为这是输入数据集的问题。
  • 可能有一种方法可以解决这个问题,而不需要搜索所有的排列。我也考虑过使用scipy.optimize.minimize来优化到最近点的距离,但由于局部最小值而没有这样做。(例如,在某些情况下,一个点可能需要远离它最近的邻居,因为那个邻居不是它真正的邻居。)

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