PCL的点云数据格式PointXYZ,PointXYZI源码解析及Union在其中的用处

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一、PointXYZ和PointXYZI在PCL中的定义

写这篇文章主要是加深下自己对PCL基础数据结构的理解。这里主要讲解PointXYZ和PointXYZI，其他的类型如PointXYZRGBA等可以类推。
这两个类型包含成员变量分别是
PointXYZ - float X,Y,Z
PointXYZI - float X,Y,Z,Intensity
这里的Intensity 属性通常表示了点的强度或反射强度。它表示点反射回传感器的光强度或能量。在激光扫描和三维测量中，intensity 属性可以用来描述点的反射特性，例如，亮度较高的点通常表示有反光表面，而亮度较低的点表示表面可能吸收了更多的光线。
如果没看PCL源码，可能大部分人会这样在程序中定义它们
struct PointXYZ { float x; float y; float z; }
struct PointXYZI { float x; float y; float z; float intensity; }
这样写固然可以，但是对于运算效率较高的点云处理来说，这种简单结构明显不适合。下面说下在PCL中是两者怎么定义的，我截取了point_types.hpp中的关于PointXYZ定义的代码片段

struct _PointXYZ
{
  PCL_ADD_POINT4D; // 这里在下面一个代码片段中展开

  EIGEN_MAKE_ALIGNED_OPERATOR_NEW
};
struct EIGEN_ALIGN16 PointXYZ : public _PointXYZ
\\此处省略后面的代码

 struct EIGEN_ALIGN16 _PointXYZI
 {
   PCL_ADD_POINT4D; 
   union
   {
     struct
     {
       float intensity;
     };
     float data_c[4];
   };
   EIGEN_MAKE_ALIGNED_OPERATOR_NEW
 };
 struct PointXYZI : public _PointXYZI
\\此处省略后面的代码

其中上述代码的PCL_ADD_POINT4D是如下两个宏合并后的宏，也就是PointXYZ是这样的。同时也给出

#define PCL_ADD_POINT4D \
  PCL_ADD_UNION_POINT4D \
  PCL_ADD_EIGEN_MAPS_POINT4D

#define PCL_ADD_UNION_POINT4D \
  union EIGEN_ALIGN16 { \
    float data[4]; \
    struct { \
      float x; \
      float y; \
      float z; \
    }; \
  };
};

看了源码后，那为什么在PointXYZ要使用union类型，尤其是PointXYZI还使用两个。下面讲解下个人的见解，如果有不对的地方，麻烦指正。

二、Union在PCL中的用处

首先，union 是C/C++语言中的一个关键字，用于创建联合体（union）。联合体是一种特殊的数据结构，它允许在相同的内存位置存储不同类型的数据，但只能同时存储其中的一个。union 的在PCL中主要作用是节省内存，特别是在需要存储多种类型数据但只会使用其中一种时，比如可以直接point.x，point.y，point.z这样获取xyz坐标，也可以直接根据数组指针data去拿。下面举例说明下union的用法：

union myun
{
   struct { int x; int y; int z; }u;
   int k;
} a;
int main()
{
    a.u.x =4;
    a.u.y =5;
    a.u.z =6;
    a.k = 0;
    printf("%d %d %d\n",a.u.x,a.u.y,a.u.z);
    return 0;
}

这里输出的是0,5,6。因为union类型是共享内存的，以size最大的结构作为自己的大小，这样的话，myun这个结构就包含u这个结构体，而大小也等于u这个结构体的大小，在内存中的排列为声明的顺序x,y,z从低到高，然后赋值的时候，在内存中，就是x的位置放置4，y的位置放置5，z的位置放置6，现在对k赋值，对k的赋值因为是union，要共享内存，所以从union的首地址开始放置，首地址开始的位置其实是x的位置，这样原来内存中x的位置就被k所赋的值代替了，就变为0了。这个时候要进行打印，就直接看内存里就行了，x的位置也就是k的位置是0，而y，z的位置的值没有改变，所以是0,5,6。
在PointXYZI中虽然使用两个结构体存放xyz和intensity，存储效率非常低。但使用union与struct相结合也有优点，它采用Eigen嵌入的内存对齐方式EIGEN_ALIGN16，也就是16字节对齐，提高了运行效率。而且point中也不能直接把intensity放在xyz后面，因为大部分情况下数组元素置为0或1，容易将其覆盖。比如：在点乘时最后一个data[3]元素会被置0。所以采用两个结构体，用额外三个float类型数据填补intensity。
下面简单介绍下内存对齐在这里的优势：


1. **性能提升：** 内存对齐可以提高数据访问速度。许多计算机体系结构要求数据按照特定的字节边界对齐，否则可能导致额外的处理器周期来读取数据。正确对齐的数据可以减少内存访问时间，提高程序性能
2. **硬件要求满足：** 一些硬件平台要求数据按照特定的对齐方式存储，否则可能导致硬件异常或错误。通过内存对齐，可以确保程序在不同平台上的正确性。
3. **缓存性能：** 缓存是计算机中的重要性能优化因素。内存对齐可以帮助数据更好地利用缓存行（cache line），减少不必要的缓存行填充和刷新，从而提高缓存性能。
4. **SIMD指令集优化：** SIMD（Single Instruction, Multiple Data）指令集（如SSE、AVX等）在处理大规模数据时非常高效。正确对齐数据可以允许编译器和硬件执行更有效的SIMD操作，提高并行性能。
5. **结构体和类的内存布局：** 在C++等语言中，结构体和类的成员通常会按照它们的声明顺序进行内存排列。通过合适的内存对齐设置，可以避免填充字节，从而减少内存的浪费。
6. **平台移植性：** 内存对齐可以提高程序在不同平台上的可移植性。通过确保数据按照规范的对齐方式存储，可以减少平台相关性问题。

总之，内存对齐是一项重要的性能和可移植性优化技术，可以在许多情况下提高程序的效率，并确保程序在不同硬件平台上的正确性。然而，要注意不同编译器和平台可能有不同的内存对齐规则，因此在需要时，可以使用编译器提供的对齐控制选项来精确控制内存对齐。

参考