PCL實現(xiàn)了大量點云相關(guān)的通用算法和高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，涉及到點云獲取、濾波、分割、配準、檢索、特征提取、識別、追蹤、曲面重建、可視化等。主要應(yīng)用于機器人研究應(yīng)用領(lǐng)域，隨著各個算法模塊的積累，整合而成。
基本接口程序：
1、創(chuàng)建處理對象：過濾、特征估計、分割等。
2、使用setInputCloud通過輸入點云數(shù)據(jù)，處理模塊。
3、設(shè)置算法相關(guān)參數(shù)。
4、調(diào)用計算（或過濾、分割等）得到輸出。
被分成了無數(shù)個小的代碼庫，使其模塊化：
libpcl filters:如采樣、去離群、特征提取、擬合估計等數(shù)據(jù)實現(xiàn)過濾器。
libpcl?features：實現(xiàn)多種三維特征，如曲面法線、曲率、邊界點估計、矩不變量、主曲率，PFH和FPFH特征，旋轉(zhuǎn)圖像、積分圖像，NARF描述子，RIFT，相對標準偏差，數(shù)據(jù)強度的篩選等等。
libpcl?I/O：實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出操作，例如點云數(shù)據(jù)文件（PCD）的讀寫。
libpcl?segmentation：實現(xiàn)聚類提取，如通過采樣一致性方法對一系列參數(shù)模型（如平面、柱面、球面、直線等）進行模型擬合點云分割提取，提取多邊形棱鏡內(nèi)部點云等等。
libpcl?surface：實現(xiàn)表面重建技術(shù)，如網(wǎng)格重建、凸包重建、移動最小二乘法平滑等。
libpcl?register：實現(xiàn)點云配準方法，如ICP等；
libpclkeypoints：實現(xiàn)不同的關(guān)鍵點的提取方法，這可以用來作為預(yù)處理步驟，決定在哪兒提取特征描述符。
libpcl?range：實現(xiàn)支持不同點云數(shù)據(jù)集生成的范圍圖像。
PCD（點云）文件格式
已經(jīng)有的多種點云數(shù)據(jù)格式：
1、PLY：一種多邊形文件格式，
2、STL：是3D?Systems公司創(chuàng)建的，主要應(yīng)用于CAD和CAM領(lǐng)域。
3、OBJ：幾何學上定義的文件格式。
4、X3D：符合ISO標準的基于XML的文件格式，表示3D計算機圖形數(shù)據(jù)。
每個PCD文件包含一個文件頭，它確定和聲明文件中存儲的點云數(shù)據(jù)的某種特性。PCD文件頭必須用ASCII碼來編碼。PCD文件中指定的每一個文件頭字段以及ascii點數(shù)據(jù)都用一個新行分開。
VERSION -指定PCD文件版本
FIELDS -指定一個點可以有的每一個維度和字段的名字。例如：
? ? ? ?FIELDS x y z? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?# XYZ data
? ? ? ?FIELDS x y z rgb? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?# XYZ + colors
? ? ? ?...
SIZE -用字節(jié)數(shù)指定每一個維度的大小。例如：
? ? ? ?unsigned char/char has 1 byte
? ? ? ?unsigned short/short has 2 bytes?
TYPE -用一個字符指定一個維度的類型，如：
? ? ? ?I -表示有符號類型int8（char）、int16（short）、和int32（int）；
? ? ? ?U -表示無符號類型；
? ? ? ?F -表示浮點類型。
COUNT -指定每一個維度包含的元素數(shù)目。例如，x這個數(shù)據(jù)通常有一個元素，但是像VFH這樣的特征描述子就有308個。實際上在給每一點引入n維直方圖描述符的方法，把它們當做單個的連續(xù)存儲塊。默認情況下，如果沒有COUNT，所有維度的數(shù)目被設(shè)置成1.
WIDTH -用點的數(shù)量表示點云數(shù)據(jù)集的寬度。根據(jù)是有序點云還是無序點云，WIDTH有兩層解釋：
（1）它能確定無序數(shù)據(jù)集的點云中點的個數(shù)（如下面的POINTS一樣）；
（2）它能確定有序點云數(shù)據(jù)集的寬度（一行中點的數(shù)目）。（如圖像的結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)分為行和列。這種點云數(shù)據(jù)優(yōu)勢在于，預(yù)先了解相鄰點的關(guān)系——類似于像素點，鄰域操作更加高效，這樣就能加速計算并降低PCL中某些算法的成本）
HEIGHT -用電的數(shù)目表示點云數(shù)據(jù)集的高度。與WIDTH相似，HEIGHT也有兩層解釋。
（1）有序點云數(shù)據(jù)集的高度（行的總數(shù)）。
（2）對于無序數(shù)據(jù)集被設(shè)置為1（便于檢查一個數(shù)據(jù)集是有序還是無序）。
VIEWPOINT -指定數(shù)據(jù)集中點云的獲取視點?？赡茉诓煌鴺讼缔D(zhuǎn)換是應(yīng)用，在輔助獲取其他特征時也比較有用，例如曲面法線，在判斷方向一致性時，需要知道視點的方位，視點信息被指定為平移+四元數(shù)。默認值是：
VIEWPOINT 0 0 0 1 0 0 0
POINTS -指定點云中點的總數(shù)。（開始顯得多余，但不能省去）。
DATA -指定存儲點云數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型。目前支持的較多為ascii和二進制。
從DATA的下一個字節(jié)就被看作為點云的數(shù)據(jù)部分了。
注意：PCD文件的文件頭部必須以上面的順序精確指定，也就是如下順序：
VERSION、FIELDS、SIZE、TYPE、COUNT、WIDTH、HEIGHT、VIEWPOINT、POINTS、DATA之間用換行隔開。
數(shù)據(jù)存儲類型
1、ASCII形式，每一點占據(jù)一個新行：
p_1
p_2
...
p_n
從PCL1.0.1版本開始，用nan表示NaN。
2、二進制形式，是數(shù)組pcl::PointCloud.points的一份完整拷貝。
相比較其他文件格式，PCD有以下幾個明顯的優(yōu)勢：
》存儲和處理有序點云數(shù)據(jù)集的能力——這一點對于實時應(yīng)用，例如增強現(xiàn)實、機器人學等領(lǐng)域十分重要；
》二進制mmap/munmap數(shù)據(jù)類型是把數(shù)據(jù)下載和存儲到磁盤上最快的方法；
》存儲不同的數(shù)據(jù)類型（支持所有的基本類型：char，short，int，float，double）——使得點云數(shù)據(jù)在存儲和處理過程中適應(yīng)性強并且高效，器重無效的點的通常存儲為NAN類型；
》特征描述子的n維直方圖——對于3D識別和計算機視覺應(yīng)用十分重要。
并且PCD是PCL中的內(nèi)部文件格式，方便PCL的應(yīng)用。
PCD?主要點云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
1、PointXYZ（float x,y,z）
union
{
? ? ? float data[4];
? ? ? struct
? ? ? {
? ? ? ? ? ? float x;
? ? ? ? ? ? float y;
? ? ? ? ? ? float z;
? ? ? };
};
PCL?的example通常如此定義點云：
pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>::Ptr cloud (new pcl::PointCloud<pcl::PointXYZ>);
訪問某一個點：cloud->points[i].x。如果想要往cloud中加入一個點的信息，則需要通過vector的push_back，加入到points這個變量里面。
pcl::PointXYZ point;
point.x =2.0f - y;
point.y =y;
point.z =z;
cloud.points.push_back(point);
如果有兩個坐標相同的點，則顏色信息以最后一個為準。
2、PointXYZI
成員變量：float x,y,z,intensity;
在XYZ坐標中加入了intensity的point類型。理想情況下，這四個變量將新建單獨一個結(jié)構(gòu)體，但是point的大部分操作會把data[4]元素設(shè)置成0或1（用于變換），不能讓intensity直接與xyz在一個結(jié)構(gòu)體中，會被覆蓋。因此，需要構(gòu)建三個額外的浮點數(shù)使其符合存儲對齊要求，存儲效率較低，運行效率較高。
union
{
? ? ? ?float data[4];
? ? ? ?struct
? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ?float x;
? ? ? ? ? ? ? ?float y;
? ? ? ? ? ? ? ?float z;
? ? ? ? };
};
union
{
? ? ? ? struct
? ? ? ? {
? ? ? ? ? ? ? ?float intensity;
? ? ? ? };
? ? ? ? ?float data_c[4];
};
3、PointXYZRGBA
成員變量：float x,y,z;uint32_t rgba;
除了rgba信息被包含在一個整型變量中，其它的和PointXYZ類似。
union
{
? ? ? ?float data[4];
? ? ? ?struct
? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ?float x;
? ? ? ? ? ? ? ?float y;
? ? ? ? ? ? ? ?float z;
? ? ? ? };
};
union
{
? ? ? ? struct
? ? ? ? {
? ? ? ? ? ? ? ?unit32_t rgba;
? ? ? ? };
? ? ? ? ?float data_c[4];
};
4、PointXYZRGB
成員變量：float x,y,z,rgb;
除了rgb信息被包含在一個浮點型變量中，其它的和PointXYZRGB類似。rgb數(shù)據(jù)被壓縮到一個浮點數(shù)里的原因是早期如此使用。
union
{
? ? ? ?float data[4];
? ? ? ?struct
? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ?float x;
? ? ? ? ? ? ? ?float y;
? ? ? ? ? ? ? ?float z;
? ? ? ? };
};
union
{
? ? ? ? struct
? ? ? ? {
? ? ? ? ? ? ? ?float?rgb;
? ? ? ? };
? ? ? ? ?float data_c[4];
};
5、PointXY
成員變量：float x,y;
struct
{
? ? ? ? float x;
? ? ? ? float y;
};
6、InterestPoint
成員變量：float x,y,z,strength
除了strength表示關(guān)鍵點的強度的測量值，其它的和PointXYZ類似。
union
{
? ? ? ?float data[4];
? ? ? ?struct
? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ?float x;
? ? ? ? ? ? ? ?float y;
? ? ? ? ? ? ? ?float z;
? ? ? ? };
};
union
{
? ? ? ? struct
? ? ? ? {
? ? ? ? ? ? ? ?float?strength;
? ? ? ? };
? ? ? ? ?float data_c[4];
};
7、Normal
成員變量：float normal[3], curvature;
Normal結(jié)構(gòu)體表示給定點所在樣本曲面上的法線方向，以及對應(yīng)曲率的測量值。在PCL中對曲面法線的操作很普通，還是用第四個元素來占位。
union
{
? ? ? ? ?float data_n[4];
? ? ? ? ?float normal[3];
? ? ? ? ?struct
? ? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ? float normal_x;
? ? ? ? ? ? ? ? float normal_y;
? ? ? ? ? ? ? ? float normal_z;
? ? ? ? ?};
};
union
{
? ? ? ?struct
? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ?float curvature;
? ? ? ? };
? ? ? ?float data_c[4];
}
8、PointNormal
成員變量：float x,y,z;float normal[3], curvature;
PointNormal是存儲XYZ數(shù)據(jù)的point結(jié)構(gòu)體，并且包括采樣點對應(yīng)法線和曲率。
union
{
? ? ? ? float data[4];
? ? ? ? struct
? ? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ? float x;
? ? ? ? ? ? ? ? float y;
? ? ? ? ? ? ? ? float z;
? ? ? ? ?};
};
union
{
? ? ? ? ?float data_n[4];
? ? ? ? ?float normal[3];
? ? ? ? ?struct
? ? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ? float normal_x;
? ? ? ? ? ? ? ? float normal_y;
? ? ? ? ? ? ? ? float normal_z;
? ? ? ? ? };
};
union
{
? ? ? ? ?struct
? ? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ?float curvature;
? ? ? ? ? };
? ? ? ? ? float data_c[4];
};
9、PointXYZRGBNormal
成員變量：float x,y,z,rgb,normal[3],curvature;
union
{
? ? ? ? float data[4];
? ? ? ? struct
? ? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ? float x;
? ? ? ? ? ? ? ? float y;
? ? ? ? ? ? ? ? float z;
? ? ? ? ?};
};
union
{
? ? ? ? ?float data_n[4];
? ? ? ? ?float normal[3];
? ? ? ? ?struct
? ? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ? float normal_x;
? ? ? ? ? ? ? ? float normal_y;
? ? ? ? ? ? ? ? float normal_z;
? ? ? ? ? };
};
union
{
? ? ? ? ?struct
? ? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ?float rgb;
? ? ? ? ? ? ? ?float curvature;
? ? ? ? ? };
? ? ? ? ? float data_c[4];
};
10、PointXYZINormal
成員變量：float x,y,z, intensity, normal[3], curvature;
PointXYZINormal存儲XYZ數(shù)據(jù)和強度值的point結(jié)構(gòu)體，并且包括曲面法線和曲率。
union
{
? ? ? ? float data[4];
? ? ? ? struct
? ? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ? float x;
? ? ? ? ? ? ? ? float y;
? ? ? ? ? ? ? ? float z;
? ? ? ? ?};
};
union
{
? ? ? ? ?float data_n[4];
? ? ? ? ?float normal[3];
? ? ? ? ?struct
? ? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ? float normal_x;
? ? ? ? ? ? ? ? float normal_y;
? ? ? ? ? ? ? ? float normal_z;
? ? ? ? ? };
};
union
{
? ? ? ? ?struct
? ? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ?float intensity;
? ? ? ? ? ? ? ?float curvature;
? ? ? ? ? };
? ? ? ? ? float data_c[4];
};
11、PointXYZL
成員變量:float x,y,z, uin32_t label
12、PointXYZRGBL
成員變量：float x,y,z, rgb, uint32_t label
13、PointXYZLNormal
成員變量：float x,y,z, label, normal[3], curvature
14、PointXYZHSV
成員變量：float x,y,z, h,s,v
15、PointWithRange
成員變量：float x,y,z(union with float point[4]), range;
PointWithRange除了range包含從所獲得的視點到采樣點的距離測量值之外，其它與PointXYZI類似。
union
{
? ? ? ? ?float data[4];
? ? ? ? ?struct
? ? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ? ?float x;
? ? ? ? ? ? ? ? ?float y;
? ? ? ? ? ? ? ? ?float z;
? ? ? ? ? };
};
union
{
? ? ? ? ?struct
? ? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ? float range;
? ? ? ? ?};
? ? ? ? ?float data_c[4];
};
16、PointWithViewpoint
成員變量：float x,y,z,vp_x,vp_y,vp_z;
PointWithViewpoint除了vp_x,vp_y,vp_z以三維點表示所獲得的視點之外，其它與PointXYZI一樣。
union
{
? ? ? ? float data[4];
? ? ? ? struct
? ? ? ? {
? ? ? ? ? ? ? ? float x;
? ? ? ? ? ? ? ? float y;
? ? ? ? ? ? ? ? float z;
? ? ? ? ?};
};
union
{
? ? ? ? struct
? ? ? ? {
? ? ? ? ? ? ? ? float vp_x;
? ? ? ? ? ? ? ? float vp_y;
? ? ? ? ? ? ? ? float vp_z;
? ? ? ? };
? ? ? ? float data_c[4];
};
17、Momentlnvariants
成員變量：float j1, j2, j3;
Momentlnvariants是一個包含采樣曲面上面片的三個不變矩的point類型，描述面片上質(zhì)量分布情況。查看MomentlnvariantsEstimation以獲得更多信息。
struct
{
? ? ? ? ?float j1, j2, j3;
};
18、PrincipalRadiiRSD
成員變量：float r_min, r_max;
PrincipalRadiiRSD是一個包含曲面塊上兩個RSD半徑的point類型，查看RSDEstimation以獲得更多信息。
struct
{
? ? ? ? ? float r_min, r_max;
};
19、Boundary
成員變量：uint8_t boundary_point;
存儲一個點是否位于曲面邊界上的簡單point類型。
struct
{
? ? ? ? ?unit8_t boundary_point;
};
20、PrincipalCurvatures
成員變量：float principal_curvature[3], pc1, pc2;
PrincipalCurvatures包含給定點主曲率的簡單point類型。查看PrincipalCurvaturesEstimation來獲得更多信息。
struct
{
? ? ? ? ?union
? ? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ? ?float principal_curvature[3];
? ? ? ? ? ? ? ? ?struct
? ? ? ? ? ? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?float principal_curvature_x;
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?float principal_curvature_y;
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?float principal_curvature_z;
? ? ? ? ? ? ? ? ?};
? ? ? ? ? };
? ? ? ? ? float pc1;
? ? ? ? ? float pc2;
};
21、PFHSignature125
成員變量：float pfh[125];
包含給定點的點特征直方圖的簡單point類型。
struct
{
? ? ? ? float?histogram[125];
};
22、FPFHSignature33
成員變量：float fpfh[33];
FPFHSignature33包含給定點的FPFH（快速點特征直方圖）的簡單point類型。
struct
{
? ? ? ? float histogram[308];
};
24、Narf36
成員變量：float x,y,z, roll, pitch, yaw; float descriptor[36];
包含給定點NARF（歸一化對齊半徑特征）的簡單point類型。
struct
{
? ? ? ? ?float x,y,z, roll, pitch, yaw;
? ? ? ? ?float descriptor[36];
};
25、BorderDescription
成員變量：int x, y; BorderTraits traits;
包含給定點邊界類型的簡單point類型
struct
{
? ? ? ? ?int x, y;
? ? ? ? ?BorderTraitstraits;
};
26、IntensityGradient
成員變量：float gradient[3];
IntensityGradient包含給定點強度的梯度point類型。
struct
{
? ? ? ? ?union
? ? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ? ?float gradient[3];
? ? ? ? ? ? ? ? ?struct
? ? ? ? ? ? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?float gradient_x;
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?float gradient_y;
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?float gradient_z;
? ? ? ? ? ? ? ? ? } ;
? ? ? ? ?};
};
27、Histogram
成員變量：float histogram[N];
用來存儲一般用途的n維直方圖。
template<int N>
struct Histogram
{
? ? ? ? ?float histogram[N];
};
28、PointWithScale
成員變量：float x, y, z, scale;
除了scale表示某點用于幾何操作的尺度，其他與PointXYZI一樣。
struct
{
? ? ? ? ?union
? ? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?float data[4];
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?struct
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? float x;
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? float y;
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? float z;
? ? ? ? ? ? ? ? ? ?};
? ? ? ? ? };
? ? ? ? ? ?float scale;
};
29、PointSurfel
成員變量：float x, y, z, normal[3], rgba, radius, confidence, curvature;
存儲XYZ坐標、曲面法線、RGB信息、半徑、可信度和曲面曲率的復(fù)雜point類型。
union
{
? ? ? ? float data[4];
? ? ? ? struct
? ? ? ? {
? ? ? ? ? ? ? ? float x;
? ? ? ? ? ? ? ? float y;
? ? ? ? ? ? ? ? float z;?
? ? ? ? };
};
union
{
? ? ? ? float data_n[4];
? ? ? ? float normal[3];
? ? ? ? struct
? ? ? ? {
? ? ? ? ? ? ? ? ?float normal_x;
? ? ? ? ? ? ? ? ?float normal_y;
? ? ? ? ? ? ? ? ?float normal_z;
? ? ? ? };
};
union
{
? ? ? ? ?struct
? ? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? ? ?uint32_trgba;
? ? ? ? ? ? ? ? ?float radius;
? ? ? ? ? ? ? ? ?float confidence;
? ? ? ? ? ? ? ? ?float curvature;
? ? ? ? ?};
? ? ? ? ? float data_c[4];
};
[1]http://www.pclcn.org/study/shownews.php?lang=cn&id=29
[2]http://www.pclcn.org/study/shownews.php?lang=cn&id=54
[3]https://blog.csdn.net/u013925378/article/details/83537844
