Open3D のインストール，Python のプログラム例

複数の写真から，３次元の立体を構成する技術がある．レーザー光線等を用いて，３次元のものをダイレクトに計測する技術もある．これらでは，３次元点群という点の集まりのデータが得られる．３次元の中の点ですので，x, y, z の 3つの値を持つ． Open3D には，３次元点群について，次のような機能がある．知っておいて損がありません．

間引く（処理性能のアップのため）
法線を求める（ポリゴンのデータに変換するとき，ポリゴン同士が滑らかになるようにするための技術）
空間の範囲を指定して抜き出す
色を付ける
オブジェクトに分ける
平面（壁）を抜きだす
ポリゴンのデータに変換する（Blender などに読み込めるように変換できます）
点の密度を求める

【目次】

前準備
Open3D のインストール
Open3D に付属の example/python のプログラムを動かしてみる（Python を使用）

利用条件などは利用者において確認してください

Github の Open3D の Web ページ: https://github.com/isl-org/Open3D
Open3D の Web ページ: http://www.open3d.org/
Open3D の公式のドキュメント: http://www.open3d.org/docs/release/

前準備

Python のインストール（Windows上）

注：既にPython（バージョン3.12を推奨）がインストール済みの場合は，この手順は不要である．

winget（Windowsパッケージマネージャー）を使用してインストールを行う

Windowsで，管理者権限でコマンドプロンプトを起動（手順：Windowsキーまたはスタートメニュー > cmd と入力 > 右クリック > 「管理者として実行」）。
winget（Windowsパッケージマネージャー）が利用可能か確認する：
winget --version

Pythonのインストール（下のコマンドにより Python 3.12 がインストールされる）．

reg add "HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\FileSystem" /v LongPathsEnabled /t REG_DWORD /d 1 /f
REM Python をシステム領域にインストール
winget install --scope machine --id Python.Python.3.12 -e --silent
REM Python のパス
set "INSTALL_PATH=C:\Program Files\Python312"
echo "%PATH%" | find /i "%INSTALL_PATH%" >nul
if errorlevel 1 setx PATH "%PATH%;%INSTALL_PATH%" /M >nul
echo "%PATH%" | find /i "%INSTALL_PATH%\Scripts" >nul
if errorlevel 1 setx PATH "%PATH%;%INSTALL_PATH%\Scripts" /M >nul

【関連する外部サイト】

Python公式サイト：https://www.python.org/

【サイト内の関連ページ】

Python詳細ガイド：Pythonまとめ »

Visual Studio 2022 Build Toolsとランタイムのインストール

管理者権限でコマンドプロンプトを起動（手順：Windowsキーまたはスタートメニュー > cmd と入力 > 右クリック > 「管理者として実行」）し、以下を実行する。管理者権限は、wingetの--scope machineオプションでシステム全体にソフトウェアをインストールするために必要である。


REM Visual Studio 2022 Build Toolsとランタイムのインストール
winget install --scope machine Microsoft.VisualStudio.2022.BuildTools Microsoft.VCRedist.2015+.x64
set VS_INSTALLER="C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio\Installer\setup.exe"
set VS_PATH="C:\Program Files (x86)\Microsoft Visual Studio\2022\BuildTools"
REM C++開発ワークロードのインストール
%VS_INSTALLER% modify --installPath %VS_PATH% ^
--add Microsoft.VisualStudio.Workload.VCTools ^
--add Microsoft.VisualStudio.Component.VC.Tools.x86.x64 ^
--add Microsoft.VisualStudio.Component.Windows11SDK.22621 ^
--includeRecommended --quiet --norestart

Git のインストール（Windows 上）

Gitは，バージョン管理システム．ソースコードの管理や複数人での共同に役立つ．

【サイト内の関連ページ】 Windows での Git のインストール: 別ページ »で説明

【関連する外部ページ】 Git の公式ページ: https://git-scm.com/

CMake のインストール

CMake の公式ダウンロードページ: https://cmake.org/download/

Windows での cmake のインストール: 別ページ »で説明
CMake のインストールでは，システム環境変数 Path への追加を忘れないこと: C:\Program Files (x86)\GnuWin32\bin

Open3D のインストール（Windows 上）

http://www.open3d.org/docs/release/compilation.html に記載の手順による．

Windows での Open3D のインストール

Windows で，管理者権限でコマンドプロンプトを起動（手順：Windowsキーまたはスタートメニュー > cmd と入力 > 右クリック > 「管理者として実行」）。
pip を用いて，Open3D のインストール
python -m pip install -U open3d
バージョンの確認
次のコマンドを実行．「Version」の右に表示されるバージョンを確認．
python -m pip show open3d
関連ファイルのインストールを行いたいので，下に書いた手順を進める．

Open3D 関連ファイルのインストール

エラーを回避するために「/utf-8」を設定．

python -m pip install -U --ignore-installed numpy scikit-image
cd %LOCALAPPDATA%
rmdir /s /q Open3D
git clone --recursive https://github.com/isl-org/Open3D
cd Open3D
del CMakeCache.txt
rmdir /s /q CMakeFiles\
cmake -G "Visual Studio 17 2022" -A x64 -T host=x64 ^
  -DCMAKE_C_FLAGS="/DWIN32 /D_WINDOWS /W0 /utf-8" ^
  -DCMAKE_CXX_FLAGS="/DWIN32 /D_WINDOWS /GR /EHsc /W0 /utf-8" ^
  -DCMAKE_INSTALL_PREFIX="c:/Open3D" .
cmake --build . --config Release --target ALL_BUILD
cmake --build . --config Release --target INSTALL

確認のため Open3DViewer を起動してみる．
起動ができれば OK とする．
%LOCALAPPDATA%\Open3D\bin\Open3D\Release\Open3DViewer.exe

Open3D-ML 関連ファイルのインストール

次のコマンドを実行する．

cd %LOCALAPPDATA%
rmdir /s /q Open3D-ML
git clone --recursive https://github.com/isl-org/Open3D-ML
cd Open3D-ML
python -m pip install -r requirements.txt
python -m pip install -r requirements-torch.txt

Ubuntu での Open3D のインストール

端末を開く
pip を用いて，Open3D のインストール
sudo pip3 install -U open3d
バージョンの確認
次のコマンドを実行．「Version」の右に表示されるバージョンを確認．
pip3 show open3d
以降，関連ファイルのインストールを行いたいので，下に書いた手順を進める．
cmake のインストール: 別ページで説明している．

Open3D 関連ファイルのインストール

次のコマンドを実行する．

git clone では「-b v0.13.0」のようにバージョンを指定する．このバージョンは，さきほど「pip3 show open3d」で確認したバージョンに一致させること．

# パッケージリストの情報を更新
sudo apt update
sudo apt -y install build-essential gcc g++ make
sudo apt -y install git
sudo pip3 install -U numpy scikit-image
sudo mkdir /usr/local
cd /usr/local
sudo rm -rf Open3D
sudo git clone -b v0.13.0 --recursive https://github.com/isl-org/Open3D
sudo chown -R $USER Open3D
cd Open3D
git switch -
yes | bash util/install_deps_ubuntu.sh
rm -f CMakeCache.txt
/usr/local/bin/cmake -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr/local .
make
sudo make install

NVIDIA ドライバ，NVIDIA CUDA ツールキット 11.5，NVIDIA cuDNN v8 のインストール: 別ページ »で説明

Open3D-ML 関連ファイルのインストール

次のコマンドを実行する．

git clone では「-b r0.13.0」のようにバージョンを指定する．このバージョンは，さきほど「pip3 show open3d」で確認したバージョンに一致させること．

cd /usr/local
sudo rm -rf Open3D-ML
sudo git clone --recursive -b r0.13.0 https://github.com/isl-org/Open3D-ML
sudo chown -R $USER Open3D
sudo chown -R $USER Open3D-ML
cd Open3D-ML
git switch -
sudo pip3 install -r requirements.txt
sudo pip3 install -r requirements-tensorflow.txt
sudo pip3 install -r requirements-torch.txt
sudo pip3 install -U numpy chumpy json-tricks munkres xtcocotools yapf
cd ../Open3D
rm -f CMakeCache.txt
/usr/local/bin/cmake \
  -DBUILD_PYTORCH_OPS=ON \
  -DBUILD_TENSORFLOW_OPS=ON \
  -DBUNDLE_OPEN3D_ML=ON \
  -DOPEN3D_ML_ROOT=/usr/local/Open3D-ML \
  -DGLIBCXX_USE_CXX11_ABI=OFF \
  -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/usr/local .
make
sudo make install

Open3D に付属の Python のプログラムを動かしてみる（Python を使用）

カレントディレクトリの移動
Windows では「cd %LOCALAPPDATA%\Open3D\docs\jupyter」
Ubuntu では「cd /usr/local/Open3D/docs/jupyter」

Python プログラムの実行

Python プログラムの実行: 別ページ »で説明

Python のまとめ: 別ページ »にまとめ

pointcloud.ipynb に記載の Python プログラムを実行

準備

import open3d as o3d
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import copy
import os
import sys

# only needed for tutorial, monkey patches visualization
sys.path.append('..')
import open3d_tutorial as o3dtut
# change to True if you want to interact with the visualization windows
o3dtut.interactive = not "CI" in os.environ

Windows での実行結果を示す．

表示

print("Load a ply point cloud, print it, and render it")
pcd = o3d.io.read_point_cloud("../../examples/test_data/fragment.ply")
print(pcd)
print(np.asarray(pcd.points))
o3d.visualization.draw_geometries([pcd],
                                  zoom=0.3412,
                                  front=[0.4257, -0.2125, -0.8795],
                                  lookat=[2.6172, 2.0475, 1.532],
                                  up=[-0.0694, -0.9768, 0.2024])

Windows での実行結果を示す．

ダウンサンプリング

print("Downsample the point cloud with a voxel of 0.05")
downpcd = pcd.voxel_down_sample(voxel_size=0.05)
o3d.visualization.draw_geometries([downpcd],
                                  zoom=0.3412,
                                  front=[0.4257, -0.2125, -0.8795],
                                  lookat=[2.6172, 2.0475, 1.532],
                                  up=[-0.0694, -0.9768, 0.2024])

Windows での実行結果を示す．

Convex hull

bunny = o3d.data.BunnyMesh()
mesh = o3d.io.read_triangle_mesh(bunny.path)
mesh.compute_vertex_normals()

pcl = mesh.sample_points_poisson_disk(number_of_points=2000)
hull, _ = pcl.compute_convex_hull()
hull_ls = o3d.geometry.LineSet.create_from_triangle_mesh(hull)
hull_ls.paint_uniform_color((1, 0, 0))
o3d.visualization.draw_geometries([pcl, hull_ls])

pcl = o3dtut.get_bunny_mesh().sample_points_poisson_disk(number_of_points=2000)
hull, _ = pcl.compute_convex_hull()
hull_ls = o3d.geometry.LineSet.create_from_triangle_mesh(hull)
hull_ls.paint_uniform_color((1, 0, 0))
o3d.visualization.draw_geometries([pcl, hull_ls])

Windows での実行結果を示す．

DBSCAN クラスタリング

pcd = o3d.io.read_point_cloud("../../examples/test_data/fragment.ply")

with o3d.utility.VerbosityContextManager(
        o3d.utility.VerbosityLevel.Debug) as cm:
    labels = np.array(
        pcd.cluster_dbscan(eps=0.02, min_points=10, print_progress=True))

max_label = labels.max()
print(f"point cloud has {max_label + 1} clusters")
colors = plt.get_cmap("tab20")(labels / (max_label if max_label > 0 else 1))
colors[labels < 0] = 0
pcd.colors = o3d.utility.Vector3dVector(colors[:, :3])
o3d.visualization.draw_geometries([pcd],
                                  zoom=0.455,
                                  front=[-0.4999, -0.1659, -0.8499],
                                  lookat=[2.1813, 2.0619, 2.0999],
                                  up=[0.1204, -0.9852, 0.1215])

Windows での実行結果を示す．

平面のセグメンテーション

pcd = o3d.io.read_point_cloud("../../examples/test_data/fragment.pcd")
plane_model, inliers = pcd.segment_plane(distance_threshold=0.01,
                                         ransac_n=3,
                                         num_iterations=1000)
[a, b, c, d] = plane_model
print(f"Plane equation: {a:.2f}x + {b:.2f}y + {c:.2f}z + {d:.2f} = 0")

inlier_cloud = pcd.select_by_index(inliers)
inlier_cloud.paint_uniform_color([1.0, 0, 0])
outlier_cloud = pcd.select_by_index(inliers, invert=True)
o3d.visualization.draw_geometries([inlier_cloud, outlier_cloud],
                                  zoom=0.8,
                                  front=[-0.4999, -0.1659, -0.8499],
                                  lookat=[2.1813, 2.0619, 2.0999],
                                  up=[0.1204, -0.9852, 0.1215])

Windows での実行結果を示す．