PCL学习——点云基础

一、什么是三维点云

三维点云（3D Point Cloud）是一种用于表示三维空间中对象或场景的数据结构。在最基础的形式中，它是一个包含多个三维坐标点（X, Y, Z）的集合。这些点是通过对实际物体或场景表面进行离散采样而获得的，因此，点云可以被视为场景表面在给定坐标系下的离散表示。
三维点云具有如下特点:
1、高度灵活性：点云可以用于表示任何类型的三维形状，包括不规则形状；
2、数据密度可变性：点云的密度可以非常不同，从只包含一个点（称为孤点或奇点）到包含几百万个数据点的高密度点云；
3、附加信息丰富性：除了基本的三维坐标外，点云数据还可能包含其他属性，如颜色、分类值、强度值和时间等。

二、获取三维点云的几种方式

1、激光雷达（LiDAR）：
工作原理：通过发送激光脉冲并测量其返回时间来计算距离。
应用场景：自动驾驶、地形测绘、林业等。
优点：高精度，能在各种环境条件下工作。
局限性：通常成本较高，数据量大。
2、立体视觉（Stereo Vision）
工作原理：使用两个或多个相机从不同角度捕捉场景，然后通过匹配相应的图像点来重建三维结构。
应用场景：机器人导航、游戏、影视制作。
优点：成本较低，实施简单。
局限性：需要明确的纹理或特征点进行匹配，对光照和纹理有一定依赖。
3. 结构光（Structured Light）
工作原理：投射一系列已知模式的光线（通常是条纹或网格）到场景中，然后通过观察这些模式如何变形来重建三维结构。
应用场景：3D扫描、质量检测、面部识别。
优点：高精度，适用于小范围和室内环境。
局限性：对光照和表面反射敏感，通常范围有限。

三、主要挑战

1、大数据量：由于点云是通过离散采样获得的，它能够非常精确地捕捉到复杂表面的几何特性。点云中的额外属性（如颜色、强度等）不仅增加了数据的丰富性，还为后续的分析和应用提供了更多可能性。例如，颜色信息可以用于物体识别，强度信息可以用于表面反射特性的分析。然而，这也带来了数据量大、存储和处理复杂的挑战。
2、数据质量：噪声和不完整性是常见的问题。
3、实时处理：在某些应用中，如自动驾驶、机器人控制，需要实时处理点云数据。

四、什么是PCL

1、PCL是一个独立的、大规模的、开放的项目，用于 2D/3D 图像和点云处理。
2、PCL框架包含许多最先进的算法，包括过滤、特征估计、表面重建、配准、模型拟合和分割。例如，这些算法可用于从嘈杂数据中过滤异常值、将 3D 点云拼接在一起、分割场景的相关部分、提取关键点和计算描述符以根据几何外观识别世界中的物体，以及从点云创建表面并对其进行可视化等操作。
放一个PCL经典的逻辑图：

五、PCL的文件格式有哪些？

一、PCD文件

# .PCD v.7 - Point Cloud Data file format
VERSION .7			# 版本号
FIELDS x y z rgb		#  指定一个点可以有的每一个维度和字段的名字
SIZE 4 4 4 4			# 用字节数指定每一个维度的大小。例如：
TYPE F FFF			# 用一个字符指定每一个维度的类型
COUNT 1 1 1 1			# 指定每一个维度包含的元素数目，默认情况下，如果没有COUNT，所有维度的数目被设置成1
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
VIEWPOINT 0 0 0 1 0 0 0		# 指定数据集中点云的获取视点 视点信息被指定为平移（tx ty tz）+ 四元数（qw qx qy qz）
POINTS 307200			# 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
DATA ascii			# 指定存储点云数据的数据类型。支持两种数据类型：ascii和二进制
0.93773 0.33763 0 4.2108e+06
0.90805 0.35641 0 4.2108e+06

TYPE：用一个字符指定每一个维度的类型
1、I 表示有符号类型 int8（char）、int16（short）和 int32（int）
2、U 表示无符号类型 uint8（unsigned char）、uint16（unsigned short）和 uint32（unsigned int）
3、F 表示浮点类型
FIELDS：指定一个点可以有的每一个维度和字段的名字
1、FIELDS x y z
2、FIELDS x y z rgb
3、FIELDS x y z normal_x normal_y normal_z
PCD 文件的文件头部分必须按上面的顺序精确指定
根据激光测量原理得到的点云，包含三维坐标信息（xyz）和激光反射强度信息（intensity），其中：激光反射强度与仪器的激光发射能量、波长，目标的表面材质、粗糙程度、入射角相关