一、 PCL中点云数据类型

由于采集设备不同时输入点云信息不同，比如有的只有法向量，有的伴有颜色，强度等信息。必要时，使用者需要自己定义自己的类型。不过先看看PCL库中定义的点云类型是否已经涵盖。

1）PointXYZ

pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>

成员变量: float x, y, z;

最常见的一个点数据类型，因为它只包含三维xyz坐标信息， 值得注意的是它多加了一个浮点数来满足内存对齐

//访问xyz方式一

float x = cloud.points[i].data[0];

float y = cloud.points[i].data[1];

float z = cloud.points[i].data[2];

//访问xyz方式二

float x = cloud.points[i].x;

float y = cloud.points[i].y;

float z = cloud.points[i].z;

2）PointXYZI

pcl::PointCloud<pcl::PointXYZI>

成员变量: float x, y, z, intensity; 表示XYZ信息加上强度信息的类型。

3）PointXYZRGBA

pcl::PointCloud<pcl::PointXYZRGBA>

成员变量: float x, y, z; uint32_t rgba;

表示XYZ信息加上RGBA信息，RGBA用32bit的int型存储的。

4）PointXYZRGB

pcl::PointCloud<pcl::PointXYZRGB>

成员变量: float x, y, z, rgb; 表示XYZ信息加上RGB信息，RGB存储为一个float。

5）PointXY

成员变量: float x, y;

6）InterestPoint

成员变量： float x, y, z, strength;

除了strength表示关键点的强度的测量值，其它的和PointXYZI类似

7）Normal

成员变量： float normal_x,normal_y,normal_z, curvature;

Normal结构体：表示给定点所在样本曲面上的法线方向，以及对应曲率的测量值，用第四个元素来占位，兼容SSE和高效计算。用户访问法向量的第一个坐标，可以通过points[i].data_n[0]或者points[i].normal[0]或者points[i].normal_x，但曲率不能被存储在同一个结构体中，因为它会被普通的数据操作覆盖掉。

Eg：PointXYZRGBNormal - float x, y, z, rgb, normal[3], curvature; PointXYZRGBNormal存储XYZ数据和RGB颜色的point结构体，并且包括曲面法线和曲率。

8）PointNormal

成员变量: float x, y, z,normal_x,normal_y,normal_z, curvature

9）PointXYZRGBNormal

成员变量：float x, y, z, rgb, normal_x,normal_y,normal_z, curvature;

10）PointXYZINormal

成员变量： float x, y, z, intensity, normal_x,normal_y,normal_z, curvature;

11）PointWithRange

成员变量：float x, y, z (union with float point[4]), range;

range包含从所获得的视点到采样点的距离测量值之外，其它与PointXYZI类似

12）PointWithViewpoint

成员变量：float x, y, z, vp_x, vp_y, vp_z; p_x、vp_y、vp_z以三维点表示所获得的视点

13）MomentInvariants

成员变量：float j1, j2, j3; MomentInvariants是一个包含采样曲面上面片的三个不变矩的point类型，描述面片上质量的分布情况

14）PrincipalRadiiRSD

是一个包含曲面块上两个RSD半径的point类型，查看RSDEstimation以获得更多信息

点云的数据格式：一般的点云形状格式为[N, M]，其中N是点的个数，M可以类比成图像中的通道数，如果点云只有x,y,z三个信息，那么M=3。

二、常见点云存储文件格式简介

*.las

LiDAR数据的工业标准格式，旨在提供一种开放的格式标准，允许不同的硬件和软件提供商输出可互操作的统一格式。是一种二进制文件格式。

一个符合LAS标准的LIDAR文件分为三个部分:公用文件头块(PUBLICHEADERBLOCK)、变量长度记(VARIABLELENGTHRECORDS)和点数据记录(POINTDATARECORD)。

LAS文件包含以下信息：

C--class(所属类)

F一flight(航线号)

T一time(GPS时间)

I一intensity(回波强度)

R一return(第几次回波)

N一number of return(回波次数)

A一scan angle(扫描角)

RGB一red green blue(RGB颜色值)

示例：

可以看出，las文件格式除了基本的三维坐标之外，保留了原始扫描的数据采集信息。LAS格式定义中用到的数据类型遵循1999年ANSI(AmericanNationalStandardsInstitute,美国国家标准化协会)C语言标准。

*.obj

OBJ文件是一种标准的3D模型文件格式，很适合用于3D软件模型之间的互导。目前几乎所有知名的3D软件都支持OBJ文件的读写，不过很多软件需要通过插件才能做到这一点。
另外，作为一种优秀的文件格式，很多游戏引擎也都支持OBJ文件的读取。3D软件模型之间的互导是一件很常见的事情，不幸的是，目前的3D软件模型导出功能都不那么完美，经常会出现缺面少线的情况，有时还会遇到导出的模型根本打不开的情况。

OBJ文件是一种文本文件格式，比起二进制文件为主、连每个块的用途也得试探的3DS，文本文件为主的OBJ对我们更友好。与3DS文件的树状[块结构]不同，OBJ文件只是很单纯的字典状结构，没有块ID来表征名字而是简单地用易懂的表意字符来表示。总之看上去是赏心悦目的样子，而苦处也就只有实际写导入代码的时候才知道了。OBJ文件优化了存储但劣化了读写。

OBJ文件不需要任何种文件头(File Header)，尽管经常使用几行文件信息的注释作为文件的开头。通常用以“#”开头的注释行作为文件头。空格和空行可以随意加到文件中以增加文件的可读性。有字的行都由一两个标记字母也就是关键字(Keyword)开头，关键字可以说明这一行是什么样的数据。多行可以逻辑地连接在一起表示一行，方法是在每一行最后添加一个连接符(\)。

注意连接符(\)后面不能出现空格或tab格，否则将导致文件出错。

对于点云数据来说，其中最基本的两个关键字：

  • v 几何体顶点 (Geometric vertices)
  • f 面 (Face)

示例：

一个四边形的数据表示：

v -0.58 0.84 0

v 2.68 1.17 0

v 2.84 -2.03 0

v -1.92 -2.89 0

f 1 2 3 4

其它元素请参考资料：

3D中的OBJ文件格式详解 - 勇敢的公爵 - 博客园

*.off

1）相较于 OBJ 文件格式，OFF 文件的存储信息格式要更为简单一些。off文件为ASCII文件，以OFF关键字开头。

2）在文件的开头注明顶点、面片和边的总数。

3）文件内部只包含顶点和面片的信息，前半部分是顶点坐标，每一行都是由面片的三个顶点的坐标值组成，

4）顶点以x，y，z坐标列出，每个顶点占一行。

5）不同于 OBJ 文件，OFF 文件的后半部分是面片信息，

6）OFF 文件的面片信息的表示很简单，如 3 a b c，3 在 OFF 文件中相当于OBJ文件中面片的标志 f，a，b，c分别表示组成一个面片的三个顶点的索引号。在顶点列表之后是面列表，每个面占一行。对于每个边，首先指定其包含的顶点数，随后是这个面所包含的各顶点在前面顶点列表中的索引。

7）OFF 文件中边的数量总是忽略不计的，表示为 0。因为 OFF 文件的格式简单，很多在做三维模型数据输出的时候，采用 OFF 文件的格式。

OFF文件格式：

OFF

顶点数 面数 边数

x y z

x y z

…

n个顶点 顶点1的索引 顶点2的索引 … 顶点n的索引

…

示例：（一个立方体）

OFF 8 6 0

-0.500000 -0.500000 0.500000

0.500000 -0.500000 0.500000

-0.500000 0.500000 0.500000

0.500000 0.500000 0.500000

-0.500000 0.500000 -0.500000

0.500000 0.500000 -0.500000

-0.500000 -0.500000 -0.500000

0.500000 -0.500000 -0.500000

4 0 1 3 2

4 2 3 5 4

4 4 5 7 6

4 6 7 1 0

4 1 7 5 3

4 6 0 2 4

*.pcap

一种通用的数据流格式，现在流行的Velodyne公司出品的激光雷达默认采集数据文件格式。它是一种二进制文件。

数据构成结构如下：

整体一个全局头部(GlobalHeader)，然后分成若干个包（Packet），每个包又包含头部（Header）和数据（Data）部分。

pcap文件格式_Joyce-CSDN博客_pcap格式

*.pcd

PCL库官方指定格式，典型的为点云量身定制的格式。下文将详细介绍。

*.ply

一种由斯坦福大学的Turk等人设计开发的多边形文件格式，因而也被成为斯坦福三角格式。文件格式有文本和二进制两种格式。

典型的PLY对象定义仅仅是顶点的（x，y，z）三元组列表和由顶点列表中的索引描述的面的列表。

文件结构如下：

· Header （头部）

· Vertex List （顶点列表）

· Face List （面列表）

· (lists of other elements) （其它元素列表）

示例：

ply

format ascii1.0    { ascii/binary, formatversion number }

comment made byGreg Turk    { comments keyword specified,like all lines }

comment thisfile is a cube

element vertex8    { define "vertex"element, 8 of them in file }

property floatx    { vertex contains float"x" coordinate }

property floaty    { y coordinate is also avertex property }

property floatz    { z coordinate, too }

element face6      { there are 6"face" elements in the file }

property listuchar int vertex_index { "vertex_indices" is a list of ints }

end_header    { delimits the end of theheader }

0 0 0    { start of vertex list }

0 0 1

0 1 1

0 1 0

1 0 0

1 0 1

1 1 1

1 1 0

4 0 1 2 3     { start of face list }

4 7 6 5 4

4 0 4 5 1

4 1 5 6 2

4 2 6 7 3

4 3 7 4 0

MatLab也可以通过pcread函数直接载入该格式。

参考资料：

http://paulbourke.net/dataformats/ply/

PLY文件格式_拉风小宇的博客-CSDN博客_ply文件格式

*.pts

被称之为最简便的点云格式，属于文本格式。只包含点坐标信息，按X Y Z顺序存储，数字之间用空格间隔。

示例：

0.780933-45.9836 -2.47675

4.75189 -38.1508 -4.34072

7.16471 -35.9699 -3.60734

9.12254 -46.1688 -8.60547

15.4418 -46.1823 -9.14635

2.83145 -52.2864 -7.27532

0.160988 -53.076 -5.00516

*.xyz

一种文本格式，前面3个数字表示点坐标，后面3个数字是点的法向量，数字间以空格分隔。

示例：

0.031822 0.0158355 -0.047992 0.000403-0.0620185 -0.005498

-0.002863 -0.0600555 -0.009567 -0.001945 -0.0412555 -0.001349

-0.001867 -0.0423475 -0.0019 0.002323 -0.0617885 -0.00364

三、PCD格式详解

1、为什么用一种新的文件格式？

PCD文件格式并非白费力气地做重复工作，现有的文件结构因本身组成的原因不支持由PCL库引进n维点类型机制处理过程中的某些扩展，而PCD文件格式能够很好地补足这一点。PCD不是第一个支持3D点云数据的文件类型，尤其是计算机图形学和计算几何学领域，已经创建了很多格式来描述任意多边形和激光扫描仪获取的点云。包括下面几种格式：

1)PLY:是一种多边形文件格式，由Stanford大学的Turk等人设计开发；

2)STL是3D Systems公司创建的模型文件格式，主要应用于CAD、CAM领域；

3)OBJ是从几何学上定义的文件格式，首先由Wavefront Technologies开发；

4)X3D是符合ISO标准的基于XML的文件格式，表示3D计算机图形数据；

5)其他许多种格式。

以上所有的文件格式都有缺点，这是很自然的，因为它们是在不同时间为了不同的使用目的所创建的，那时今天的新的传感器技术和算法都还没有发明出来。对于其缺点读者可自行了解。

2、PCD版本

在点云库（PCL）1.0版本发布之前，PCD文件格式有不同的修订号。这些修订号用PCD_Vx来编号（例如，PCD_V5、PCD_V6、PCD_V7等等），代表PCD文件的0.x版本号。然而PCL中PCD文件格式的正式发布是0.7版本（PCD_V7）。

3、文件头格式

每一个PCD文件包含一个文件头，它确定和声明文件中存储的点云数据的某种特性。PCD文件头必须用ASCII码来编码。PCD文件中指定的每一个文件头字段以及ascii点数据都用一个新行（\n）分开了，从0.7版本开始，PCD文件头包含下面的字段：

1)VERSION –指定PCD文件版本，目前PCL中为0.7版本

2)FIELDS –指定一个点可以有的每一个维度和字段的名字。

例如：

FIELDS x y z                          # XYZ data

FIELDS x y z rgb                          # XYZ + colors

FIELDS x y z normal_xnormal_y normal_z     # XYZ + surface normals

FIELDS j1 j2 j3                 # moment invariants

...

3)SIZE –用字节数指定每一个维度的大小。

例如：

unsigned char/char has 1 byte

unsigned short/short has 2 bytes

unsignedint/int/float has 4 bytes

double has 8 bytes

4)TYPE –用一个字符指定每一个维度的类型。

现在被接受的类型有：

I –表示有符号类型int8（char）、int16（short）和int32（int）；

U – 表示无符号类型uint8（unsigned char）、uint16（unsigned short）和uint32（unsigned int）；

F –表示浮点类型。

5)COUNT –指定每一个维度包含的元素数目。例如，x这个数据通常有一个元素，但是像VFH这样的特征描述子就有308个。实际上这是在给每一点引入n维直方图描述符的方法，把它们当作单个的连续存储块。默认情况下，如果没有COUNT，所有维度的数目被设置成1。

5）WIDTH –用点的数量表示点云数据集的宽度。根据是有序点云还是无序点云，WIDTH有两层解释：

(1)它能确定无序数据集的点云中点的个数（和下面的POINTS一样）；

(2)它能确定有序点云数据集的宽度（一行中点的数目）。

注意：有序点云数据集，意味着点云是类似于图像（或者矩阵）的结构，数据分为行和列。这种点云的实例包括立体摄像机和时间飞行摄像机生成的数据。有序数据集的优势在于，预先了解相邻点（和像素点类似）的关系，邻域操作更加高效，这样就加速了计算并降低了PCL中某些算法的成本。

例如：

WIDTH 640       # 每行有640个点

6)HEIGHT –用点的数目表示点云数据集的高度。

类似于WIDTH ，HEIGHT也有两层解释：

(1)它表示有序点云数据集的高度（行的总数）；

(2)对于无序数据集它被设置成1（被用来检查一个数据集是有序还是无序）。

有序点云例子：

WIDTH 640       # 像图像一样的有序结构，有640行和480列，

HEIGHT 480      # 这样该数据集中共有640*480=307200个点

无序点云例子：

WIDTH 307200

HEIGHT 1        # 有307200个点的无序点云数据集

7)VIEWPOINT–指定数据集中点云的获取视点。VIEWPOINT有可能在不同坐标系之间转换的时候应用，在辅助获取其他特征时也比较有用，例如曲面法线，在判断方向一致性时，需要知道视点的方位，

视点信息被指定为平移（txtytz）+四元数（qwqxqyqz）。默认值是：VIEWPOINT 0 0 0 1 0 0 0

8)POINTS–指定点云中点的总数。从0.7版本开始，该字段就有点多余了，因此有可能在将来的版本中将它移除。

例子：

POINTS 307200   #点云中点的总数为307200

9)DATA –指定存储点云数据的数据类型。从0.7版本开始，支持两种数据类型：ascii和二进制。

注意：文件头最后一行（DATA）的下一个字节就被看成是点云的数据部分了，它会被解释为点云数据。

警告：PCD文件的文件头部分必须以上面的顺序精确指定，也就是如下顺序：

VERSION、FIELDS、SIZE、TYPE、COUNT、WIDTH、HEIGHT、VIEWPOINT、POINTS、DATA

之间用换行隔开。

4、数据存储类型

在0.7版本中，.PCD文件格式用两种模式存储数据：

如果以ASCII形式，每一点占据一个新行：

p_1

p_2

...

p_n

注意：从PCL 1.0.1版本开始，用字符串“nan”表示NaN，此字符表示该点的值不存在或非法等。

如果以二进制形式，这里数据是数组（向量）pcl::PointCloud.points的一份完整拷贝，在Linux系统上，我们用mmap/munmap操作来尽可能快的读写数据，存储点云数据可以用简单的ascii形式，每点占据一行，用空格键或Tab键分开，没有其他任何字符。也可以用二进制存储格式，它既简单又快速，当然这依赖于用户应用。ascii格式允许用户打开点云文件，使用例如gunplot这样的标准软件工具更改点云文件数据，或者用sed、awk等工具来对它们进行操作。

5、相对其他文件格式的优势

用PCD作为（另一种）文件格式可能被看成是没有必要的一项工作。但实际中，情况不是这样的，因为上面提到的文件格式无一能提高PCD文件的适用性和速度。PCD文件格式包括以下几个明显的优势：

1）存储和处理有序点云数据集的能力——这一点对于实时应用，例如增强现实、机器人学等领域十分重要；

2）二进制mmap/munmap数据类型是把数据下载和存储到磁盘上最快的方法；

3）可以存储不同的数据类型（支持所有的基本类型：char，short，int，float，double）——使得点云数据在存储和处理过程中适应性强并且高效，其中无效的点的通常存储为NAN类型；

4）特征描述子的n维直方图——对于3D识别和计算机视觉应用十分重要。

5）另一个优势是通过控制文件格式，我们能够使其最大程度上适应PCL，这样能获得PCL应用程序的最好性能，而不用把一种不同的文件格式改变成PCL的内部格式，这样的话通过转换函数会引起额外的延时。

注意：尽管PCD（点云数据）是PCL中的内部文件格式，pcl_io库也提供在前面提到的所有其他文件格式中保存和加载数据。

参考：

https://cloud.tencent.com/developer/article/1475778

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