如何使用open3d合并多组mesh并输出结果

2022-11-28 16:50:08 浏览数 (2)

最近在学习open3d的相关应用，然后遇到了一个很有趣的问题。给定多个mesh，我们可能会需要把他们全部合并到一个文件并使用。但是这并不好实现，因为open3d自己不支持这样的操作。相比之下，其他一些集成度非常高的软件，是可以实现这样的操作的，例如meshlab通过交互栏中的“flatten visible layer”指令来实现。

唯一的缺点是，你每次都需要手动操作才行，这对于需要高度自动化的使用场景，就不是很合适了。因此，如何可以实现一个自动化的脚本，支持直接合并多个可染色的mesh，并输出带有纹理的最终结果，是一个非常重要的功能。遗憾的是度娘和谷歌目前没有相关的教程。因此本文带大家了解一下，如何重头写一个ply文件并且合并输出所有需要合并的m

esh。

▍如何存储一个带纹理的obj格式的mesh

这里我们首先介绍一下，怎么去存储一个mesh。为了方便，我们使用这篇文章中的代码 （https://zhuanlan.zhihu.com/p/569974846），先自己生成若干个mesh（有些带有纹理，有些没有），然后进行存储。单模型存储在open3d中是很简单的，open3d提供了一个接口来直接存储对应的mesh，接口是o3d.io.write_triangle_mesh。

但是要注意的是，如果要存纹理信息，这个命令需要使用obj格式，因为另外一种常见的ply格式，则无法存储纹理信息。因此，作为合并的第一步，我们手动输出全部mesh为obj格式以支持纹理信息，并且分开存储。

以下代码把场景内的全部mesh文件输出为obj格式。

代码语言：javascript复制
if not os.path.exists("save_mesh"):

    os.makedirs("save_mesh", exist_ok=False)

o3d.io.write_triangle_mesh("save_mesh/obj_back.obj", back_obj)

o3d.io.write_triangle_mesh("save_mesh/obj_left.obj", left_obj)

o3d.io.write_triangle_mesh("save_mesh/obj_front.obj", front_obj)

o3d.io.write_triangle_mesh("save_mesh/obj_right.obj", right_obj)

o3d.io.write_triangle_mesh("save_mesh/box_back.obj", back_box)

o3d.io.write_triangle_mesh("save_mesh/box_left.obj", left_box)

o3d.io.write_triangle_mesh("save_mesh/box_front.obj", front_box)

o3d.io.write_triangle_mesh("save_mesh/box_right.obj", right_box)

▍如何存储一个带纹理的ply格式的mesh

存储为obj格式之后，我们通过meshlab自带的命令行格式，把所有带有纹理的mesh全部转化为ply文件。这里要注意的是，如果你的mesh模型本身是不带有色彩的，那么这一步可以直接加载mesh模型然后转为ply文件，上一步输出为obj格式则是可以跳过的。

下面我们依次加载obj文件并转存为ply文件。代码如下:

代码语言：javascript复制
if not os.path.exists("save_mesh_ply"):

    os.makedirs("save_mesh_ply", exist_ok=False)

for obj in ["save_mesh/obj_back.obj", "save_mesh/obj_left.obj", "save_mesh/obj_front.obj",

            "save_mesh/obj_right.obj", "save_mesh/box_back.obj", "save_mesh/box_left.obj",

            "save_mesh/box_front.obj", “save_mesh/box_right.obj"]: #简单粗暴的列出来所有mesh

    ms = pymeshlab.MeshSet()

    ms.load_new_mesh(obj)

    ms.save_current_mesh(os.path.join(obj.split("/")[0] "_ply", obj.split("/")[1].replace("obj", “ply")))

最终存储的mesh，重新使用meshlab可视化结果如下：

注意右侧红框，此时存在8个不同的层（layers）。我们的最终目的是把他们全部合并为一层并且统一存储。

▍ply文件格式介绍

下面我们来介绍一下ply文件格式的组成。ply文件有两个重要组成部分。第一组是头部（header），之后是对应于头部定义的数值组。

首先是头部（header）的定义，对于无纹理mesh文件来说，直接套用ply头部固定模板即可。

代码语言：javascript复制
ply

format ascii 1.0

comment VCGLIB generated

element vertex vertex_count

property float x

property float y

property float z

property uchar red

property uchar green

property uchar blue

property uchar alpha

element face face_count

property list uchar int vertex_indices

end_header

关于无纹理文件的头部的定义，大部分情况下可以直接照抄，无需修改，除了点、面对应的数量（红色变量对应位置替换即可）。这里进一步解释一下关键字：header中的comment是注释的意思，property详细定义了所需要的数据结构。最后使用end_header标注定义结束。另外ply文件格式的编码，我强烈推荐使用ascii格式，否则使用文本编辑工具打开是乱码，不利于分析问题。

头部的定义具体包含了顶点与面的定义。对于不带纹理的ply文件，其对应顶点的定义需要如下关键参数，分别为：当前mesh的三维坐标（X,Y,Z）以及对应面的顶点索引（vertex indices）

对于带纹理的ply文件，除了上述所需参数外，额外需要向header添加纹理定义。

纹理定义格式如下

代码语言：javascript复制
comment TextureFile texture_name

其中，前两个单词为关键字，最后一个为变量，指向纹理文件存储位置。需要注意的是，有多少纹理文件，就要对应性的添加多少行。否则对应的mesh无法染色。

对于面来说，需要额外定义五个变量，分别为 texcoord，red, green, blue, alpha，合并在一起记录面的颜色，分别对应于有纹理图片（texcoord）与自带纹理的情况（RGBA）。代码如下：

代码语言：javascript复制
property list uchar float texcoord

property uchar red

property uchar green

property uchar blue

property uchar alpha

全部合在一起，即为有纹理的mesh对应的完整定义。

介绍完header之后，我们就可以依次按照定义的顶点和面的顺序，往里面填数据了。对于带有、不带有纹理的mesh，其对应的ply文件的顶点信息和面对应信息稍有不同，具体的不同可以通过header的定义看出来，这里不再赘述。为了方便起见，我们统一填补所有不带纹理的mesh里缺失的列信息。具体如何填补我们稍后介绍。

▍如何读取并操作ply文件

ply文件本身是单纯的文本流，为了处理方便，这里我们使用python自带的plyfile进行处理，从而快捷的读取ply文件并转化为相应的numpy矩阵。

在读取相关文件前，我们先准备一下输入输出（IO）。代码如下：

代码语言：javascript复制
need_texture = False
model_in_folder = "save_mesh_ply"
model_out_folder = "save_mesh_ply_out"
assert os.path.exists(model_in_folder), "input mesh models are not available! file path : {}".format(model_in_folder)
if not os.path.exists(model_out_folder):
    os.makedirs(model_out_folder, exist_ok=True)
fuse_model_path = glob.glob(os.path.join(model_in_folder, "*.ply"))
fuse_model_path.sort()
fused_vertex, fused_faces = None, None
vertex_count = 0
coloring_list = []
merge_file_name = os.path.join(model_out_folder, "merged_mesh.ply")

之后我们来讲解一下plyfile怎么处理ply文件。plyfile是python下处理ply一个经典的库，其自带plyData模块，可以读入输出ply文件。读取时，直接调用plyData即可。返回结果是一个字典，可以用来获得对应mesh的顶点和面的结果。

具体如何处理，可以看一下这里的代码。

代码语言：javascript复制
plydata = PlyData.read(f_path)
vertexs = np.array(plydata['vertex'].data)
faces = plydata[‘face'].data

然后我们来处理一下顶点和面，处理的原因上面已经提到过了，主要就是同步有纹理与无纹理mesh对应的顶点和面属性不匹配的问题。具体来说，无纹理的mesh对应的属性定义，要少于有纹理的mesh。如果不处理的话，是无法直接进行合并的，因此我们严格按照header中属性的定义，对于无纹理的mesh对应缺失的属性依次填充，即可得到最终的结果。关于如何填充缺失值，我们下一节会详细介绍。

继续讨论顶点和面的定义。首先我们介绍一下相关的数据结构。

对于顶点来说，我们需要读入三维坐标点信息与对应每个顶点的色彩纹理信息，而对于面来说，我们需要存入顶点顺序来构造每个面，以及对应的纹理坐标（Texcoord），和对应面的颜色值（RGBA）。这里要注意的是，如果提供了图像 纹理坐标，则对应面的RGBA值会被覆盖。详细数据结构的定义请看下表。

顶点对应的数据结构

变量

数据结构

X

float32

Y

float32

Z

float32

Red

Uint8

Green

Uint8

Blue

Uint8

Alpha

Uint8

面对应的数据结构

变量

数据结构

vertex_indices

Object

Texcoord

Object

Red

Uint8

Green

Uint8

Blue

Uint8

Alpha

Uint8

相关代码定义如下（这一节用不到，后面填充矩阵的时候会用到）：

代码语言：javascript复制
vertex_dtype = [('x', '<f8'), ('y',="" '
face_dtype = [('vertex_indices', 'O'), ('texcoord', 'O'), ('red', 'u1'), ('green', 'u1'), ('blue', 'u1'),
                ('alpha', ‘u1')]

▍如何对顶点与面进行填充

我们再来看一下如何对顶点和面进行填充。填充的核心是针对无纹理的mesh操作的，主要是将其没有的属性，使用默认值直接进行填充，从而与有纹理的mesh相兼容。那么需要填充什么内容呢？

对于无纹理的mesh，具体来说：

  1. 其对应顶点的顶点颜色信息（red, green, blue, alpha）统一设定为（255,255,255,255），也就是设定为白色。不一定非要这个颜色，对应值可以根据你默认的需要颜色来改变。
  2. 其对应面的vertex_indices会按照实际遍历过的面对应顶点的编号重新排布，
  3. 其对应的texcoord一律设置为[0,0,0,0,0,0]，也就是两个三角片面的染色坐标提取点为0。换句话说，不提取该位置的纹理信息。
  4. 该面的颜色一律设置为白色（对应RGBA值为255,255,255,255，如果你需要其他颜色可以直接改）

这部分直接看一下相关代码。

代码语言：javascript复制
def process_vertex(vertexs, vertex_dtype):

    if len(vertexs[0])<=3:

        new_vertexs = []

        for i in range(len(vertexs)):

            new_vertexs.append(vertexs[i].tolist()   (255,)*4)

        new_vertexs = np.array(new_vertexs, dtype=vertex_dtype)

        return new_vertexs

    else:

        return vertexs



def process_face(faces, faces_dtype):

    if len(faces[0]) == 1:

        new_faces = []

        texcoord = np.array([0]*6, dtype=np.float32)

        rgba = (255, )*4

        for i in range(len(faces)):

            new_faces.append((faces[i][0], texcoord)   rgba)

        new_faces = np.array(new_faces, dtype = faces_dtype)

        return new_faces

    else:

        return faces



def update_vertex_idx(vertex_counts, faces, faces_dtype):

    new_faces = []

    for i in range(len(faces)):

        vertex_idx, texcoord, r, g, b, a = faces[i].tolist()

        vertex_idx = vertex_idx   vertex_counts

        new_faces.append((vertex_idx, texcoord, r, g, b, a))

    new_faces = np.array(new_faces, dtype=faces_dtype)

    return new_faces

上述代码中，process_vertex函数处理了问题1，process_face处理了问题3、4，而update_vertex_idx函数处理了问题2。通过使用这些函数，可以顺利的修正所有的顶点与相对应的面的匹配关系，并且合并所有的ply文件。

▍如何合并所有给定的ply文件

最后一步，我们尝试使用已有的代码来合并全部给定的ply文件。这里我们定义一个函数 write_merge_mesh来实现合并这一核心功能。

这个函数会执行如下操作：

  1. 自动生成header。同时检查是否有纹理mesh（通过传入参数need_texture判断）。如果有，则向header注入纹理文件信息。
  2. 从预处理好的顶点和面（也就是上面process_vertex和process_face的输出结果）上收集数据，然后统一写入新的ply文件。

相关代码如下：

代码语言：javascript复制
def write_merge_mesh(merge_file_name, point_count, face_count, coloring_list, fused_vertex, fused_faces, need_texture=True):

    texture_file = ""

    if need_texture:

        for file in coloring_list:

            texture_file  = "comment TextureFile {}n".format(file)

    head = """ply

            format ascii 1.0

            comment VCGLIB generated

            """

    head  = texture_file

    head  = """element vertex {}

            property float x

            property float y

            property float z

            property uchar red

            property uchar green

            property uchar blue

            property uchar alpha

            element face {}

            property list uchar int vertex_indices

            property list uchar float texcoord

            property uchar red

            property uchar green

            property uchar blue

            property uchar alpha

            end_header""".format(point_count, face_count)

    with open(merge_file_name, 'w') as f2:

        f2.write(head)

        for ve in fused_vertex:

            f2.write(" ".join(map(str, ve.tolist())) "n")

        for fe in fused_faces:

            vertex_idx, texcoord, r, g, b, a = fe

            out_str = str(len(vertex_idx.tolist()))   " "   " ".join(map(str, vertex_idx.tolist()))   " "   

                str(len(texcoord.tolist()))   " "   " ".join(map(str, texcoord.tolist()))   " "   str(r)   " " str(g)   " "  str(b)   " " str(a) "n"

            f2.write(out_str)

    return head

注意，最终合并的ply文件的输出位置，需要和存储纹理信息的位置一致，否则需要手动复制粘贴纹理信息到生成ply文件的位置。

最终由多个mesh合并为一个mesh并且输出的可视化结果如下：

到底为止，我们顺利完成了多个组合面合并起来进行ply文件输出的python代码。

▍附录：本文涉及全部代码

代码语言：javascript复制
# 设置need_texture = False 如果不存染色结果

import os

from plyfile import PlyData

import numpy as np

import glob



def process_vertex(vertexs, vertex_dtype):

    if len(vertexs[0])<=3:

        new_vertexs = []

        for i in range(len(vertexs)):

            new_vertexs.append(vertexs[i].tolist()   (255,)*4)

        new_vertexs = np.array(new_vertexs, dtype=vertex_dtype)

        return new_vertexs

    else:

        return vertexs





def process_face(faces, faces_dtype):

    if len(faces[0]) == 1:

        new_faces = []

        texcoord = np.array([0]*6, dtype=np.float32)

        rgba = (255, )*4

        for i in range(len(faces)):

            new_faces.append((faces[i][0], texcoord)   rgba)

        new_faces = np.array(new_faces, dtype = faces_dtype)

        return new_faces

    else:

        return faces





def update_vertex_idx(vertex_counts, faces, faces_dtype):

    new_faces = []

    for i in range(len(faces)):

        vertex_idx, texcoord, r, g, b, a = faces[i].tolist()

        vertex_idx = vertex_idx   vertex_counts

        new_faces.append((vertex_idx, texcoord, r, g, b, a))

    new_faces = np.array(new_faces, dtype=faces_dtype)

    return new_faces



def write_merge_mesh(merge_file_name, point_count, face_count, coloring_list, fused_vertex, fused_faces, need_texture=True):

    texture_file = ""

    if need_texture:

        for file in coloring_list:

            texture_file  = "comment TextureFile {}n".format(file)

    head = "plynformat ascii 1.0ncomment VCGLIB generatedn"

    head  = texture_file

    head  = """element vertex %d

property float x

property float y

property float z

property uchar red

property uchar green

property uchar blue

property uchar alpha

element face %d

property list uchar int vertex_indices

property list uchar float texcoord

property uchar red

property uchar green

property uchar blue

property uchar alpha

end_header

""" % (point_count, face_count)



    with open(merge_file_name, 'w') as f2:

        f2.write(head)

        for ve in fused_vertex:

            f2.write(" ".join(map(str, ve.tolist())) "n")

        for fe in fused_faces:

            vertex_idx, texcoord, r, g, b, a = fe



            out_str = str(len(vertex_idx.tolist()))   " "   " ".join(map(str, vertex_idx.tolist()))   " "   

                str(len(texcoord.tolist()))   " "   " ".join(map(str, texcoord.tolist()))   " "   str(r)   " " 

                      str(g)   " "  str(b)   " " str(a) "n"

            f2.write(out_str)

    return head





if __name__ == "__main__":

    need_texture = False

    model_in_folder = "save_mesh_ply"

    model_out_folder = "save_mesh_ply"

    assert os.path.exists(model_in_folder), "input mesh models are not available! file path : {}".format(model_in_folder)

    if not os.path.exists(model_out_folder):

        os.makedirs(model_out_folder, exist_ok=True)

    fuse_model_path = glob.glob(os.path.join(model_in_folder, "*.ply"))

    fuse_model_path.sort()

    fused_vertex, fused_faces = None, None

    vertex_counts = 0

    coloring_list = []

    merge_file_name = os.path.join(model_out_folder, "merged_mesh.ply")



    # definition

    vertex_dtype = [('x', '<f8'), ('y',="" '

    face_dtype = [('vertex_indices', 'O'), ('texcoord', 'O'), ('red', 'u1'), ('green', 'u1'), ('blue', 'u1'),

                    ('alpha', 'u1')]

    for f_path in fuse_model_path:

        if need_texture:

            # need_texture = True

            coloring_list.append(f_path.split("/")[-1].split(".")[0] "_0.png")

        plydata = PlyData.read(f_path)

        vertexs = np.array(plydata['vertex'].data)

        faces = plydata['face'].data



        vertexs = process_vertex(vertexs, vertex_dtype)

        faces = process_face(faces, face_dtype)

        if fused_vertex is None:

            fused_vertex = vertexs

            fused_faces = faces

        else:

            fused_vertex = np.concatenate((fused_vertex, vertexs))

            faces = update_vertex_idx(vertex_counts, faces, face_dtype)

            fused_faces = np.concatenate((fused_faces, faces))

        vertex_counts  = vertexs.shape[0]

write_merge_mesh(merge_file_name, vertex_counts, fused_faces.shape[0], coloring_list, fused_vertex, fused_faces)
python alpha header mesh process

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