前言

RViz 是 ROS 框架中常用的三维可视化工具，主要用于展示传感器数据、机器人模型、坐标变换、路径规划结果等信息。通过 RViz，开发者可以直观地观察系统运行状态，从而更高效地进行调试、验证与分析。

RVIz简介及使用

在启动 RViz 之前，加载 ROS2 的环境变量：

source /opt/ros/jazzy/setup.bash

然后启动 RViz：

ros2 run rviz2 rviz2

首次启动时，将看到如图 1 所示的界面（图中背景颜色已修改为白色，默认背景为黑色）：

图 1: RViz界面

RViz 界面主要由以下几个部分组成：

• 中央区域：3D 视图显示区，用于显示机器人模型、传感器数据等（初始状态为空）。
• 左侧区域：显示列表（Displays 面板），用于管理和配置所有可视化显示项。
• 右侧区域：视图设置区域（Views 面板），用于配置当前相机视角。

添加显示

RViz 的核心概念是 显示项（Display）。每一种显示项对应一种数据类型的可视化方式，例如激光雷达、点云、图像、地图等。

1. 添加显示项

点击左下角的 Add 按钮：

弹出“添加显示项”窗口，如图 2 所示：

图 2: rviz2添加选项

窗口各区域说明如下：

• 顶部列表：所有可用的显示类型
• 中部区域：当前选中显示类型的功能说明
• 底部输入框：用于自定义显示名称，便于区分多个同类型显示项

2. 显示属性

每个显示项都有一组可配置属性，以 PointCloud2 显示项为例，其属性界面如图 3 所示：

图 3: PointCloud2数据属性

从属性面板中可以看到：

• 该显示项订阅的话题为 /pcd
• 点的显示尺寸（Size）为 0.01
• 还可进一步配置颜色、样式、坐标系等参数

3. 显示状态

每个显示项都有对应的状态指示，用于反映当前数据是否正常：

• OK：数据正常，显示无异常

• Warning：存在警告，但仍可显示

• Error：发生错误，通常是话题或坐标系问题

• Disabled：该显示项被禁用

状态通过显示项标题颜色和图标进行区分，并可在属性面板中查看详细信息：

图 4: 数据的状态

在图 4 中，Image 显示项为红色，表示发生错误，原因是系统中未检测到 sensor_msgs/Image 类型的数据话题。

常用显示项类型

下表列出了 RViz 中常用的显示项及其对应的消息类型：

名称	描述	使用的消息类型
坐标轴（Axes）	显示一组坐标轴	无
力矩（Effort）	显示机器人每个旋转关节的力矩	sensor_msgs/msg/JointStates
相机（Camera）	从相机视角创建一个新的渲染窗口，并在其上叠加图像	sensor_msgs/msg/Image, sensor_msgs/msg/CameraInfo
网格（Grid）	在平面上显示 2D 或 3D 网格	无
网格单元（Grid Cells）	绘制来自网格的单元格，通常是导航堆栈中的成本图中的障碍物	nav_msgs/msg/GridCells
图像（Image）	创建一个新的图像渲染窗口。与相机显示不同，此显示不使用 CameraInfo	sensor_msgs/msg/Image
交互式标记（InteractiveMarker）	显示来自一个或多个交互式标记服务器的 3D 对象，并允许通过鼠标与它们交互	visualization_msgs/msg/InteractiveMarker
激光扫描（Laser Scan）	显示激光扫描数据，提供不同的渲染模式、累积等选项	sensor_msgs/msg/LaserScan
地图（Map）	在地面上显示地图	nav_msgs/msg/OccupancyGrid
标记（Markers）	允许程序员通过主题显示任意原始形状	visualization_msgs/msg/Marker, visualization_msgs/msg/MarkerArray
路径（Path）	显示来自导航堆栈的路径	nav_msgs/msg/Path
点（Point）	以小球形式绘制点	geometry_msgs/msg/PointStamped
姿态（Pose）	以箭头或坐标轴形式绘制姿态	geometry_msgs/msg/PoseStamped
姿态数组（Pose Array）	绘制姿态数组中的每个姿态的箭头“云”	geometry_msgs/msg/PoseArray
点云（2）（Point Cloud(2)）	显示点云数据，提供不同的渲染模式、累积等选项	sensor_msgs/msg/PointCloud, sensor_msgs/msg/PointCloud2
多边形（Polygon）	绘制多边形的轮廓线	geometry_msgs/msg/Polygon
里程计（Odometry）	累积随时间变化的里程计姿态	nav_msgs/msg/Odometry
距离（Range）	显示来自超声波或红外距离传感器的范围测量的锥形	sensor_msgs/msg/Range
机器人模型（RobotModel）	显示机器人在正确姿态下的视觉表示（由当前 TF 变换定义）	无
TF	显示 tf2 变换层级	无
力（Wrench）	以箭头（力）和箭头加圆圈（扭矩）形式绘制力	geometry_msgs/msg/WrenchStamped
速度（Twist）	以箭头（线性）和箭头加圆圈（角速度）形式绘制速度	geometry_msgs/msg/TwistStamped

通过 TF 显示坐标系

RViz 使用 tf2 库进行坐标变换管理，其中两个概念尤为重要：

固定坐标系（Fixed Frame）

• 作为所有可视化数据的全局参考坐标系

• 通常设置为 map、odom 或 world

• 不应随时间变化

• 设置错误将导致数据显示异常或错位

目标坐标系（Target Frame）

• 当前视角相对于该坐标系进行定位

• 可设置为 map、base_link、camera_link 等

本节通过之前编写的 TF 示例程序，演示如何在 RViz 中加载并显示坐标系。

在前文中，我们构建了一个名为 tf2_broadcaster_py 的功能包，该功能包用于发布海龟的位姿信息。系统中包含：

• 一个固定的父坐标系 world

• 一个动态变化的子坐标系 turtleX（如 turtle1、turtle2）

首先运行启动文件：

cd ~/ros2_ws
source install/setup.bash
ros2 launch tf2_broadcaster_py turtle_tf2_demo_launch.py

随后在 RViz 中添加 TF 显示项，并将 Fixed Frame 设置为 world。此时可以看到 world 与 turtle1 坐标系。当海龟移动时，对应的坐标系也会随之实时更新，如图 15.5 所示。

图 5: 添加并显示TF坐标系

自动添加显示项类型

在实际工程中，RViz 往往需要加载多个显示项（如 TF、图像、机器人模型等）。如果每次都手动配置，会非常繁琐。RViz 提供了 配置文件（.rviz） 机制，用于自动加载显示项。

编写rviz的配置文件

首先，创建功能包

cd ~/ros2_ws/src
ros2 pkg create --build-type ament_python rviz2_test --dependencies rviz2 rclpy 

在功能包中创建 rviz 目录，并在目录中创建一个名为 urdf.rviz 的文件，这里的文件名可以任意给，只需要前后对应即可。在文件中编写如下代码：

Panels:
  - Class: rviz_common/Displays
    Name: Displays
  - Class: rviz_common/Views
    Name: Views

Visualization Manager:
  Displays:
    - Class: rviz_default_plugins/Grid
      Name: Grid
      Value: true

    - Class: rviz_default_plugins/Image
      Name: Image
      Enabled: true
      Topic: /camera/image_raw
      Transport Hint: raw

    - Class: rviz_default_plugins/TF
      Name: TF
      Value: true

  Global Options:
    Fixed Frame: world
    Background Color: 255; 255; 255   # 白色背景

  Tools:
    - Class: rviz_default_plugins/MoveCamera

  Views:
    Current:
      Class: rviz_default_plugins/Orbit
      Distance: 5.0
      Name: Current View
      Pitch: 0.785
      Yaw: 1.57

Window Geometry:
  Height: 800
  Width: 1200

这段代码是一个 RViz 2 的配置文件内容，用 YAML 格式描述了 RViz 在启动时加载的插件、显示内容、窗口布局等。它主要完成了以下几件事：

1. 配置 RViz 面板（Panels）

Panels:
  - Class: rviz_common/Displays
    Name: Displays
  - Class: rviz_common/Views
    Name: Views

这部分设置了左侧 RViz 界面上的两个面板：

• Displays 面板：显示和管理所有可视化插件（如 Grid、TF、Image）。

• Views 面板：用于控制视角，比如 Orbit、TopDownOrtho 等。

2. 配置 Visualization Manager

在 Visualization Manager 中首先对 Displays 面板进行设置：

  - Class: rviz_default_plugins/Grid
    Name: Grid
    Value: true

添加了 Grid 网格，用于可视化地面或坐标系平面。

  - Class: rviz_default_plugins/Image
    Name: Image
    Enabled: true
    Topic: /camera/image_raw
    Transport Hint: raw

添加了一个 图像显示器，从话题 /camera/image_raw 接收图像，并以原始（raw）方式显示图像（无压缩/转换）

  - Class: rviz_default_plugins/TF
    Name: TF
    Value: true

启用了 TF 坐标变换可视化，可以显示不同坐标系的变换关系（如 base_link → camera_link）。

在设置完了 Displays 面板后，又对 Tools 进行了设置，

Global Options:
  Fixed Frame: world
  Background Color: 255; 255; 255   # 白色背景

• 设置 RViz 的 固定坐标系为 world，这是所有显示数据转换的参考系。如果 TF 中没有名为 world 的坐标系，会导致无法正常显示坐标变换数据.
• 设置3D显示区域的背景为白色

在设置完了 Global Options 后，又对 Tools 进行了设置，

Tools:
  - Class: rviz_default_plugins/MoveCamera

添加了一个相机移动工具，可在场景中自由旋转/平移视角。

最后，在 Visualization Manager 中对 views 进行了设置，

Views:
  Current:
    Class: rviz_default_plugins/Orbit
    Distance: 5.0
    Name: Current View
    Pitch: 0.785
    Yaw: 1.57

设置当前视角为 Orbit（环绕视角），并设置：

• 距离（Distance） 5 米
• 俯仰角（Pitch） ≈ 45°
• 偏航角（Yaw） ≈ 90°

3. 设置窗口大小

Window Geometry:
  Height: 800
  Width: 1200

启动 RViz 时窗口大小为 1200×800 像素。

编写并配置 launch 启动文件

在功能包中创建一个 launch 目录，并在该目录中创建一个名为 display.launch.py 的启动文件，通过 display.launch.py，可以在启动 RViz 的同时加载 .rviz 配置文件，并联合启动其他功能包（如 TF 发布节点），文件内容如下：

from launch import LaunchDescription
from launch.actions import IncludeLaunchDescription, DeclareLaunchArgument
from launch.substitutions import LaunchConfiguration, PathJoinSubstitution
from launch_ros.substitutions import FindPackageShare
from launch_ros.actions import Node
from launch.launch_description_sources import PythonLaunchDescriptionSource

def generate_launch_description():
    
    rviz_config_file = 'rviz/urdf.rviz'

    return LaunchDescription([
     
        DeclareLaunchArgument(
            name='rvizconfig',
            default_value=PathJoinSubstitution([FindPackageShare('rviz2_test'), rviz_config_file]),
            description='RViz config file'
        ),

        # 启动 urdf_launch 提供的 display.launch.py
        Node(
            package='rviz2',
            executable='rviz2',
            name='rviz2',
            arguments=['-d', LaunchConfiguration('rvizconfig')],
            output='screen'
        ),

        IncludeLaunchDescription(
            PathJoinSubstitution([
                FindPackageShare('tf2_broadcaster_py'),
                'launch',
                'turtle_tf2_demo_launch.py'
            ])
        ),
    ])

该 launch 文件自动启动 RViz2，并加载了指定的 RViz 配置文件（.rviz）。为了可以运行该launch文件，需要对 setup.py 进行配置，配置内容如下：

在文件顶部添加适当的模块

import os
from glob import glob

在data_files字段添加如下代码:

data_files=[
    ...
    (os.path.join('share', package_name, 'launch'), glob(os.path.join('launch', '*launch.[pxy][yma]*'))),
    (os.path.join('share', package_name, 'rviz'), glob(os.path.join('rviz', '*.*'))),
],

构建并运行功能包

在工作空间的根目录，构建功能包：

colcon build --packages-select rviz2_test

打开一个新的终端，导航到工作空间的根目录，并加载设置文件：

source install/setup.bash

现在运行启动文件，启动rviz2节点并加载urdf.rviz文件的配置，同时打开 tf2_broadcaster_py 功能包中的 lauch 文件：

ros2 launch rviz2_test display.launch.py

运行后，RViz 将自动加载 Grid、Image、TF 等显示项，并使用白色背景，如图 6 所示。

图 6: 自动加载RViz

本章小结

本章系统介绍了 RViz 的基本概念、常用显示项及其配置方法，并通过示例演示了如何使用配置文件和 Launch 文件实现 RViz 的自动化启动。

RViz 是 ROS 开发过程中不可或缺的调试工具，熟练掌握其使用方法，将显著提升系统调试效率和工程开发体验。