ROS知识：点云文件.pcd格式

目录

一、点云文件格式 PCD (Point Cloud Data) 

二、为何采用新得文件格式

三、PCD版本

四、文件头部格式 

五、数据存储格式

六、其它优势

Example

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一、点云文件格式 PCD (Point Cloud Data) 

本文档描述了 PCD（点云数据）文件格式，以及它在点云库 (PCL) 中的使用方式。打开一个pcd文件，看到如下：

二、为何采用新得文件格式

        PCD 文件格式并不是要重新发明，而是要补充现有的文件格式，这些文件格式由于某些种原因 ，不支持 PCL 为 n-D 点云处理带来的某些扩展。

        PCD 不是第一个支持 3D 点云数据的文件类型。 尤其是计算机图形和计算几何社区，已经创建了多种格式来描述使用激光扫描仪获取的任意多边形和点云。 其中一些格式包括：

• PLY - 一种多边形文件格式，由 Turk 等人在斯坦福大学开发 。

• STL - 3D Systems 创建的立体光刻 CAD 软件的原生文件格式

• OBJ -Wavefront Technologies 首次开发的几何定义文件格式

• X3D - 用于表示 3D 计算机图形数据的 ISO 标准基于 XML 的文件格式

• and many others

上述所有文件格式都存在一些缺点，如下一节所述——这是很自然的，因为它们是在不同的时间和不同的目的而创建的，在今天的传感技术和算法被发明之前。

三、PCD版本

在点云库 (PCL) 版本 1.0 发布之前，PCD 文件格式可能具有不同的修订号。 这些用 PCD_Vx 编号（例如，PCD_V5、PCD_V6、PCD_V7 等）并代表 PCD 文件的版本号 0.x。

然而，PCL 中 PCD 文件格式的官方入口点应该是版本 0.7 (PCD_V7)。

四、文件头部格式 

        每个 PCD 文件都包含一个标头，用于标识和声明存储在文件中的点云数据的某些属性。 PCD 的标头必须以 ASCII 编码。

        在 PCD 文件中指定的每个标题条目以及 ascii 点数据（见下文）都使用新行 (\n) 分隔。

从 0.7 版开始，PCD 标头包含以下条目：

• VERSION -指定 PCD 文件版本

• FIELDS - 指定点可以具有的每个维度/字段的名称。 例子：

  FIELDS x y z                                # XYZ data
  FIELDS x y z rgb                            # XYZ + colors
  FIELDS x y z normal_x normal_y normal_z     # XYZ + surface normals
  FIELDS j1 j2 j3                             # moment invariants
  ...
  

• SIZE -以字节为单位指定每个维度的大小。 例子：

  • unsigned char/char has 1 byte

  • unsigned short/short has 2 bytes

  • unsigned int/int/float has 4 bytes

  • double has 8 bytes

• TYPE -将每个维度的类型指定为 char。 当前接受的类型是：

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

  • U -代表无符号类型 uint8 (unsigned char), uint16 (unsigned short), uint32 (unsigned int)

  • F - 表示浮点类型

• COUNT - 指定每个维度有多少个元素。 例如，x 数据通常有 1 个元素，但像 VFH 这样的特征描述符有 308 个元素。基本上这是一种在每个点引入 n-D 直方图描述符并将它们视为单个连续内存块的方法。 默认情况下，如果 COUNT 不存在，则所有维度的计数都设置为 1。

• WIDTH - 以点数指定点云数据集的宽度。 WIDTH 有两个含义：

1. 它可以为无组织的数据集指定云中的总点数（等于 POINTS 见下文）；
2. 它可以指定有组织的点云数据集的宽度（一行中的总点数）

注意：

        有组织的点云数据集是点云的名称，类似于有组织的图像（或矩阵）结构，其中数据分为行和列。 这种点云的示例包括来自立体相机或飞行时间相机的数据。 有组织的数据集的优点是通过了解相邻点（例如像素）之间的关系，最近邻操作更加高效，从而加快了计算速度并降低了 PCL 中某些算法的成本。

Examples:

WIDTH 640     # there are 640 points per line

它可以为无组织的数据集指定云中的总点数（等于 POINTS，见下文）；

• 它可以指定有组织的点云数据集的宽度（一行中的总点数）。

• HEIGHT - 以点数指定点云数据集的高度。 高度有两个含义：

  Example:

  WIDTH 640       # Image-like organized structure, with 480 rows and 640 columns,
  HEIGHT 480      # thus 640*480=307200 points total in the dataset
  

  Example:

  WIDTH 307200
  HEIGHT 1        # unorganized point cloud dataset with 307200 points
  

  • 它可以指定有组织的点云数据集的高度（总行数）；

  • 对于无组织的数据集，它设置为 1（因此用于检查数据集是否有组织）。

• VIEWPOINT - 指定数据集中点的采集视点。 这可能会在以后用于构建不同坐标系之间的转换，或用于辅助表面法线等需要一致方向的特征。

  视点信息被指定为平移（tx ty tz）+四元数（qw qx qy qz）。 默认值为：

  VIEWPOINT 0 0 0 1 0 0 0
  

• POINTS -指定云中的总点数。 从 0.7 版开始，它的用途有点多余，因此我们希望在未来的版本中将其删除。

  Example:

  POINTS 307200   # the total number of points in the cloud
  

• DATA - 指定存储点云数据的数据类型。从 0.7 版开始，支持三种数据类型：ascii、binary 和 binary_compressed。 有关详细信息，请参阅下一节。

注意：

标题最后一行 (DATA) 之后的下一个字节被视为点云数据的一部分，并将被解释为点云数据的一部分。

警告：

标题条目必须按上述顺序精确指定，即：

1. VERSION
2. FIELDS
3. SIZE
4. TYPE
5. COUNT
6. WIDTH
7. HEIGHT
8. VIEWPOINT
9. POINTS
10. DATA

五、数据存储格式

从 0.7 版开始，.PCD 文件格式使用三种不同的模式来存储数据：

• ASCII 格式，每个点在一个新行上：

  p_1
  p_2
  p_3
  p_4
  ...
  
  p_n
  

Note

从 PCL 版本 1.0.1 开始，NaN 的字符串表示为“nan”。

• 二进制形式，其中数据是 pcl::PointCloud.points 数组/向量的完整内存副本。 在 Linux 系统上，我们使用 mmap/munmap 操作以尽可能快地读取/写入数据。

• 以二进制压缩形式。 正文（标头之后的所有内容）以 32 位无符号二进制数开头，指定压缩形式数据的大小（以字节为单位）。 接下来是另一个 32 位无符号二进制数，它指定未压缩形式的数据的大小（以字节为单位）。 然后是压缩数据。 压缩和解压缩是使用 Marc Lehmann 的 LZF 算法完成的。 在缩小尺寸方面它是平庸的，但非常快。 对于典型的点云，压缩数据具有原始大小的 30% 到 60%。 在压缩之前，数据被重新排序以改进压缩，从标准的结构数组布局到数组结构布局。 因此，例如具有三个点和场 x、y、z 的云将从 xyzxyzxyz 重新排序为 xxxyyyzzz。

        以简单的 ascii 格式存储点云数据，每个点在一行上，空格或制表符分隔，上面没有任何其他字符，以及二进制转储格式，让我们拥有两全其美：简单性和 速度，取决于底层应用程序。 ascii 格式允许用户打开点云文件并使用 gnuplot 等标准软件工具绘制它们，或使用 sed、awk 等工具对其进行操作。

六、其它优势

将 PCD 作为（另一种）文件格式可以被视为 PCL 患有此处未发明综合症。 实际上，情况并非如此，因为上述文件格式都没有提供 PCD 文件的灵活性和速度。 一些明确说明的优点包括：

• 存储和处理有组织的点云数据集的能力——这对于实时应用和增强现实、机器人等研究领域极为重要；
• 二进制 mmap/munmap 数据类型是将数据加载和保存到磁盘的最快方式。
• 存储不同的数据类型（支持的所有原语：char、short、int、float、double）允许点云数据在存储和处理方面灵活高效。 无效的点尺寸通常存储为 NAN 类型。
• 特征描述符的 n-D 直方图——对于 3D 感知/计算机视觉应用非常重要

        另一个好处是，通过控制文件格式，我们可以最好地使其适应 PCL，从而获得相对于 PCL 应用程序的最高性能，而不是将不同的文件格式适应 PCL 作为本机类型并通过转换引入额外的延迟 职能。

注意：

        虽然 PCD（点云数据）是 PCL 中的原生文件格式，但 pcl_io 库也应该提供以所有其他上述文件格式保存和加载数据的可能性。

七、一个示例

下面附上了一段 PCD 文件。 由读者来解释数据并了解其含义。

# .PCD v.7 - Point Cloud Data file format
VERSION .7
FIELDS x y z rgb
SIZE 4 4 4 4
TYPE F F F F
COUNT 1 1 1 1
WIDTH 213
HEIGHT 1
VIEWPOINT 0 0 0 1 0 0 0
POINTS 213
DATA ascii
0.93773 0.33763 0 4.2108e+06
0.90805 0.35641 0 4.2108e+06
0.81915 0.32 0 4.2108e+06
0.97192 0.278 0 4.2108e+06
0.944 0.29474 0 4.2108e+06
0.98111 0.24247 0 4.2108e+06
0.93655 0.26143 0 4.2108e+06
0.91631 0.27442 0 4.2108e+06
0.81921 0.29315 0 4.2108e+06
0.90701 0.24109 0 4.2108e+06
0.83239 0.23398 0 4.2108e+06
0.99185 0.2116 0 4.2108e+06
0.89264 0.21174 0 4.2108e+06
0.85082 0.21212 0 4.2108e+06
0.81044 0.32222 0 4.2108e+06
0.74459 0.32192 0 4.2108e+06
0.69927 0.32278 0 4.2108e+06
0.8102 0.29315 0 4.2108e+06
0.75504 0.29765 0 4.2108e+06
0.8102 0.24399 0 4.2108e+06
0.74995 0.24723 0 4.2108e+06
0.68049 0.29768 0 4.2108e+06
0.66509 0.29002 0 4.2108e+06
0.69441 0.2526 0 4.2108e+06
0.62807 0.22187 0 4.2108e+06
0.58706 0.32199 0 4.2108e+06
0.52125 0.31955 0 4.2108e+06
0.49351 0.32282 0 4.2108e+06
0.44313 0.32169 0 4.2108e+06
0.58678 0.2929 0 4.2108e+06
0.53436 0.29164 0 4.2108e+06
0.59308 0.24134 0 4.2108e+06
0.5357 0.2444 0 4.2108e+06
0.50043 0.31235 0 4.2108e+06
0.44107 0.29711 0 4.2108e+06
0.50727 0.22193 0 4.2108e+06
0.43957 0.23976 0 4.2108e+06
0.8105 0.21112 0 4.2108e+06
0.73555 0.2114 0 4.2108e+06
0.69907 0.21082 0 4.2108e+06
0.63327 0.21154 0 4.2108e+06
0.59165 0.21201 0 4.2108e+06
0.52477 0.21491 0 4.2108e+06
0.49375 0.21006 0 4.2108e+06
0.4384 0.19632 0 4.2108e+06
0.43425 0.16052 0 4.2108e+06
0.3787 0.32173 0 4.2108e+06
0.33444 0.3216 0 4.2108e+06
0.23815 0.32199 0 4.808e+06
0.3788 0.29315 0 4.2108e+06
0.33058 0.31073 0 4.2108e+06
0.3788 0.24399 0 4.2108e+06
0.30249 0.29189 0 4.2108e+06
0.23492 0.29446 0 4.808e+06
0.29465 0.24399 0 4.2108e+06
0.23514 0.24172 0 4.808e+06
0.18836 0.32277 0 4.808e+06
0.15992 0.32176 0 4.808e+06
0.08642 0.32181 0 4.808e+06
0.039994 0.32283 0 4.808e+06
0.20039 0.31211 0 4.808e+06
0.1417 0.29506 0 4.808e+06
0.20921 0.22332 0 4.808e+06
0.13884 0.24227 0 4.808e+06
0.085123 0.29441 0 4.808e+06
0.048446 0.31279 0 4.808e+06
0.086957 0.24399 0 4.808e+06
0.3788 0.21189 0 4.2108e+06
0.29465 0.19323 0 4.2108e+06
0.23755 0.19348 0 4.808e+06
0.29463 0.16054 0 4.2108e+06
0.23776 0.16054 0 4.808e+06
0.19016 0.21038 0 4.808e+06
0.15704 0.21245 0 4.808e+06
0.08678 0.21169 0 4.808e+06
0.012746 0.32168 0 4.808e+06
-0.075715 0.32095 0 4.808e+06
-0.10622 0.32304 0 4.808e+06
-0.16391 0.32118 0 4.808e+06
0.00088411 0.29487 0 4.808e+06
-0.057568 0.29457 0 4.808e+06
-0.0034333 0.24399 0 4.808e+06
-0.055185 0.24185 0 4.808e+06
-0.10983 0.31352 0 4.808e+06
-0.15082 0.29453 0 4.808e+06
-0.11534 0.22049 0 4.808e+06
-0.15155 0.24381 0 4.808e+06
-0.1912 0.32173 0 4.808e+06
-0.281 0.3185 0 4.808e+06
-0.30791 0.32307 0 4.808e+06
-0.33854 0.32148 0 4.808e+06
-0.21248 0.29805 0 4.808e+06
-0.26372 0.29905 0 4.808e+06
-0.22562 0.24399 0 4.808e+06
-0.25035 0.2371 0 4.808e+06
-0.29941 0.31191 0 4.808e+06
-0.35845 0.2954 0 4.808e+06
-0.29231 0.22236 0 4.808e+06
-0.36101 0.24172 0 4.808e+06
-0.0034393 0.21129 0 4.808e+06
-0.07306 0.21304 0 4.808e+06
-0.10579 0.2099 0 4.808e+06
-0.13642 0.21411 0 4.808e+06
-0.22562 0.19323 0 4.808e+06
-0.24439 0.19799 0 4.808e+06
-0.22591 0.16041 0 4.808e+06
-0.23466 0.16082 0 4.808e+06
-0.3077 0.20998 0 4.808e+06
-0.3413 0.21239 0 4.808e+06
-0.40551 0.32178 0 4.2108e+06
-0.50568 0.3218 0 4.2108e+06
-0.41732 0.30844 0 4.2108e+06
-0.44237 0.28859 0 4.2108e+06
-0.41591 0.22004 0 4.2108e+06
-0.44803 0.24236 0 4.2108e+06
-0.50623 0.29315 0 4.2108e+06
-0.50916 0.24296 0 4.2108e+06
-0.57019 0.22334 0 4.2108e+06
-0.59611 0.32199 0 4.2108e+06
-0.65104 0.32199 0 4.2108e+06
-0.72566 0.32129 0 4.2108e+06
-0.75538 0.32301 0 4.2108e+06
-0.59653 0.29315 0 4.2108e+06
-0.65063 0.29315 0 4.2108e+06
-0.59478 0.24245 0 4.2108e+06
-0.65063 0.24399 0 4.2108e+06
-0.70618 0.29525 0 4.2108e+06
-0.76203 0.31284 0 4.2108e+06
-0.70302 0.24183 0 4.2108e+06
-0.77062 0.22133 0 4.2108e+06
-0.41545 0.21099 0 4.2108e+06
-0.45004 0.19812 0 4.2108e+06
-0.4475 0.1673 0 4.2108e+06
-0.52031 0.21236 0 4.2108e+06
-0.55182 0.21045 0 4.2108e+06
-0.5965 0.21131 0 4.2108e+06
-0.65064 0.2113 0 4.2108e+06
-0.72216 0.21286 0 4.2108e+06
-0.7556 0.20987 0 4.2108e+06
-0.78343 0.31973 0 4.2108e+06
-0.87572 0.32111 0 4.2108e+06
-0.90519 0.32263 0 4.2108e+06
-0.95526 0.34127 0 4.2108e+06
-0.79774 0.29271 0 4.2108e+06
-0.85618 0.29497 0 4.2108e+06
-0.79975 0.24326 0 4.2108e+06
-0.8521 0.24246 0 4.2108e+06
-0.91157 0.31224 0 4.2108e+06
-0.95031 0.29572 0 4.2108e+06
-0.92223 0.2213 0 4.2108e+06
-0.94979 0.24354 0 4.2108e+06
-0.78641 0.21505 0 4.2108e+06
-0.87094 0.21237 0 4.2108e+06
-0.90637 0.20934 0 4.2108e+06
-0.93777 0.21481 0 4.2108e+06
0.22244 -0.0296 0 4.808e+06
0.2704 -0.078167 0 4.808e+06
0.24416 -0.056883 0 4.808e+06
0.27311 -0.10653 0 4.808e+06
0.26172 -0.10653 0 4.808e+06
0.2704 -0.1349 0 4.808e+06
0.24428 -0.15599 0 4.808e+06
0.19017 -0.025297 0 4.808e+06
0.14248 -0.02428 0 4.808e+06
0.19815 -0.037432 0 4.808e+06
0.14248 -0.03515 0 4.808e+06
0.093313 -0.02428 0 4.808e+06
0.044144 -0.02428 0 4.808e+06
0.093313 -0.03515 0 4.808e+06
0.044144 -0.03515 0 4.808e+06
0.21156 -0.17357 0 4.808e+06
0.029114 -0.12594 0 4.2108e+06
0.036583 -0.15619 0 4.2108e+06
0.22446 -0.20514 0 4.808e+06
0.2208 -0.2369 0 4.808e+06
0.2129 -0.208 0 4.808e+06
0.19316 -0.25672 0 4.808e+06
0.14497 -0.27484 0 4.808e+06
0.030167 -0.18748 0 4.2108e+06
0.1021 -0.27453 0 4.808e+06
0.1689 -0.2831 0 4.808e+06
0.13875 -0.28647 0 4.808e+06
0.086993 -0.29568 0 4.808e+06
0.044924 -0.3154 0 4.808e+06
-0.0066125 -0.02428 0 4.808e+06
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