[#01] PCD 파일 포맷 이해하기

포인트 클라우드 파일 포맷에 대해 알아보자 !

왜 New file format이 필요한가?

n-D 포인트 클라우드의 처리를 할 수 있는 PCL 라이브러리 일부 extension을 지원 X

PCD는 3D point cloud의 제일 첫 번째 파일 형식이 아님!!!

Computer graphics나 Computational geometry에서 많은 포맷들을 만듦

PLY - a polygon file format, developed at Stanford University by Turk et al
STL - a file format native to the stereolithography CAD software created by 3D Systems
OBJ - a geometry definition file format first developed by Wavefront Technologies
X3D - the ISO standard XML-based file format for representing 3D computer graphics data

PCD Version

The official entry point for the PCD file format in PCL however should be version 0.7 (PCD_V7).

File Format Header

모든 PCD 파일은 그 안에 저장된 포인트 클라우드에 대한 특정 properties를 명시하고 선언하는 header를 포함하고 있음!!

PCD의 헤더는 반드시 ASCII로 인코딩 되어있어야 함

VERSION - PCD 파일의 버전

FIELDS - 한 포인트가 가질 수 있는 dimension이나 field의 이름을 명시

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 - 각 dimension의 크기를 바이트 단위로 명시

unsigned char/char has 1 byte
unsigned short/short has 2 bytes
unsigned int/int/float has 4 bytes
double has 8 bytes

TYPE - 각 dimension의 타입을 char형으로 명시
- I : signed types int8(char) int16(short) int32(int)
- U : unsigned types uint8(unsigned char) uint16(unsigned short) uint32(unsigned int)
- F : float types
COUNT : 각 demension이 얼마나 많은 element를 갖고 있는가
- 예를 들어 x data는 보통 1 element이지만 하나의 featrue descriptor(VFH 같은)는 308임
- 기본적으로 각 포인트에 대해 n-D histogram descriptor를 도입하는 방법이고, 단일 연속 메모리 블록에서 처리하는 방식임
- 만약 COUNT가 존재하지 않으면 디폴트는 1
WIDTH : 포인트 클라우드 안에 포인트 개수인데 2가지 의미가 있음
- unorganized datasets에 대한 total point 개수
- organized datasets에 대한 한 row당 point 개수
```
WIDTH 640     # there are 640 points per line
```

HEIGHT : 포인트 클라우드 안의 포인트의 height를 명시하는데 2가지 의미가 있음

unorganized dataset은 1로 set 됨[따라서 보통 이 값을 갖고 unorganized인지 아닌지 판단]
organized dataset은 row의 개수를 저장

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

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

VIEWPOINT : 데이터셋의 포인트들의 viewpoint를 얻음
- 이 프로퍼티는 나중에 다른 coordinates 사이에 transform을 할 때 이용되거나
- Surface normal이나 consistent orientation을 구할 때 이용됨
- [구조] : translation(tx ty tz) + quaternion(qw qx qy qz)
```
VIEWPOINT 0 0 0 1 0 0 0
```
POINTS : 포인트 클라우드 안에 있는 포인트 total 개수
- 0.7 version부터는 bit redundant때문에 사용
- 미래 버전에는 제거될 예정
```
POINTS 307200   # the total number of points in the cloud
```
DATA : 포인트 클라우드 데이터가 저장되어있는 데이터 타입을 명시
- 0.7 version에는 3가지 data type을 지원 [ascii, binary, binary_compressed]

Organized point cloud

말 그대로 정렬된 포인트 클라우드

이미지나 행렬 같이 row와 column으로 쪼갤 수 있는 녀석들을 organized point cloud라고 부름

주로 stereo camera나 TOF camera 데이터

[장점]

adjacent points들 사이의 관계를 알고 있음(e.g. pixels)

따라서 nearest neighbor 찾을 때 엄청 efficient하고, 비용이 적게 든다

— 여기까지가 PCD파일의 Header에 관한 정리!

따라서 Header entries는 반드시 위의 순서로 정확하게 명시되어야함!!!!

VERSION
FIELDS
SIZE
TYPE
COUNT
WIDTH
HEIGHT
VIEWPOINT
POINTS
DATA

Data storage types

0.7 버전에서 .pcd file은 데이터 저장할 때 3가지 모드를 이용

ascii

p_1
p_2
p_3
p_4
...

p_n

binary

pcl::PointCloud.points array/vector의 complete memory copy에 저장됨

Linux 시스템에서는 mmap/munmap operation으로 제일 빠르게 read/write access 가능

binary_compressed

정리 안함…

PCD 파일이 다른 파일 포맷보다 좋은점

다른 파일 포맷은 PCL에서 만든 함수를 못 쓰는 불상사가….ㅠㅠ

PCD 파일은 flexbility 와 speed가 좋음

organized 포인트 클라우드를 store하고 process 하는 능력이 좋음

real time applications나 augmented reality나 robotics에서 극도로 중요함

binary mmap/munmap 데이터 타입은 디스크에 데이터를 loading하고 saving하는데 가장 빠른 방법임

포인트 클라우드 안에 모든 primitives를 지원(char, short, int, float, double)

strorage와 processing 측면에서 매우 유연하고 효율적이다

Invalid point dimensions은 보통 NaN 타입으로 저장됨

feature descriptor를 위한 n-D histogram - 3D 인지/ 컴퓨터 비전에서 매우 중요

그냥 있는 PCL 잘 쓰자!!

Example

# .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
-0.057362 -0.02428 0 4.808e+06
-0.0066125 -0.03515 0 4.808e+06
-0.057362 -0.03515 0 4.808e+06
-0.10653 -0.02428 0 4.808e+06
-0.15266 -0.025282 0 4.808e+06
-0.10653 -0.03515 0 4.808e+06
-0.16036 -0.037257 0 4.808e+06
0.0083286 -0.1259 0 4.2108e+06
0.0007442 -0.15603 0 4.2108e+06
-0.1741 -0.17381 0 4.808e+06
-0.18502 -0.02954 0 4.808e+06
-0.20707 -0.056403 0 4.808e+06
-0.23348 -0.07764 0 4.808e+06
-0.2244 -0.10653 0 4.808e+06
-0.23604 -0.10652 0 4.808e+06
-0.20734 -0.15641 0 4.808e+06
-0.23348 -0.13542 0 4.808e+06
0.0061083 -0.18729 0 4.2108e+06
-0.066235 -0.27472 0 4.808e+06
-0.17577 -0.20789 0 4.808e+06
-0.10861 -0.27494 0 4.808e+06
-0.15584 -0.25716 0 4.808e+06
-0.0075775 -0.31546 0 4.808e+06
-0.050817 -0.29595 0 4.808e+06
-0.10306 -0.28653 0 4.808e+06
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Reference

Point Cloud Library

박성창 (bigbigpark)