PcdSharp - PCD v0.7 Reader/Writer Library

PcdSharp 是一个用于读取和写入 Point Cloud Data (PCD) v0.7 格式文件的高性能 C# 库。

功能特性

• ✅ 完整的 PCD v0.7 格式支持
• ✅ 读取功能: 支持 ASCII, Binary, Binary Compressed 格式
• ✅ 写入功能: 支持 ASCII 和 Binary 格式
• ✅ 泛型点云支持: PointCloud<T> 支持任意点类型
• ✅ 多种内置点类型: PointXYZ, PointXYZRGBA, PointNormal, XYZIntensity 等
• ✅ 自定义点类型: 支持用户定义的点结构
• ✅ 完整的头部信息解析和生成
• ✅ 多目标框架支持: .NET Framework 4.6.2+ 到 .NET 9.0
• ✅ 高性能: unsafe 代码实现，零拷贝优化

支持的点类型

内置点类型

点类型	描述	字段
PointXYZ	基本3D点	X, Y, Z
PointXYZRGBA	带颜色的3D点	X, Y, Z, RGBA
PointNormal	带法向量的3D点	X, Y, Z, NormalX, NormalY, NormalZ, Curvature
XYZIntensity	带强度信息的3D点	X, Y, Z, Intensity

自定义点类型

PCDSharp 支持任何包含公共字段或属性的自定义点类型：

public struct MyCustomPoint
{
    public float X { get; set; }
    public float Y { get; set; }
    public float Z { get; set; }
    public float Temperature { get; set; }
    public uint Label { get; set; }
}

快速开始

安装

# 通过 NuGet 安装
dotnet add package PcdSharp

# 或者克隆源代码
git clone https://github.com/emako/PcdSharp.git

基本用法

读取点云数据

using PcdSharp.IO;
using PcdSharp.Struct;

// 读取 PointXYZ 点云
var xyzCloud = PCDReader.Read<PointXYZ>("points.pcd");
Console.WriteLine($"读取了 {xyzCloud.Count} 个点");

// 读取 PointXYZRGBA 点云
var rgbaCloud = PCDReader.Read<PointXYZRGBA>("colored_points.pcd");

// 读取带强度信息的点云
var intensityCloud = PCDReader.Read<XYZIntensity>("intensity_points.pcd");

// 读取自定义点类型
var customCloud = PCDReader.Read<MyCustomPoint>("custom_points.pcd");

// 访问点数据
foreach (var point in xyzCloud.Points)
{
    Console.WriteLine($"点坐标: ({point.X:F3}, {point.Y:F3}, {point.Z:F3})");
}

// 访问强度数据
foreach (var point in intensityCloud.Points)
{
    Console.WriteLine($"点: ({point.X:F3}, {point.Y:F3}, {point.Z:F3}), 强度: {point.Intensity:F1}");
}

写入点云数据

using PcdSharp;
using PcdSharp.IO;
using PcdSharp.Struct;

// 创建点云
var pointCloud = new PointCloudImpl<PointXYZ>();
pointCloud.Width = 10;
pointCloud.Height = 1;

// 添加点数据
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
    pointCloud.Add(new PointXYZ 
    { 
        X = i * 0.1f, 
        Y = (float)Math.Sin(i), 
        Z = (float)Math.Cos(i)
    });
}

// 写入 ASCII 格式
PCDWriter.Write("output_ascii.pcd", pointCloud, DataEncoding.ASCII);

// 写入 Binary 格式
PCDWriter.Write("output_binary.pcd", pointCloud, DataEncoding.Binary);

读取头部信息

// 只读取头部信息，不加载点数据
var header = PCDReader.ReadHeader("points.pcd");

Console.WriteLine($"版本: {header.Version}");
Console.WriteLine($"字段: {string.Join(", ", header.Fields)}");
Console.WriteLine($"点数: {header.Points}");
Console.WriteLine($"数据格式: {header.Data}");
Console.WriteLine($"尺寸: {header.Width} x {header.Height}");

高级用法

流式读写

// 从流中读取
using var fileStream = new FileStream("points.pcd", FileMode.Open);
var pointCloud = PCDReader.Read<PointXYZ>(fileStream);

// 写入到流
using var outputStream = new FileStream("output.pcd", FileMode.Create);
PCDWriter.Write(outputStream, pointCloud, DataEncoding.Binary);

组织化点云

// 创建组织化点云 (类似图像的行列结构)
var organizedCloud = new PointCloudImpl<PointXYZ>();
organizedCloud.Width = 640;  // 列数
organizedCloud.Height = 480; // 行数

// 访问特定位置的点 (需要 .NET 5.0+)
if (organizedCloud.IsOrganized)
{
    ref var point = ref organizedCloud.At(x: 100, y: 200);
    Console.WriteLine($"位置 (100,200) 的点: ({point.X}, {point.Y}, {point.Z})");
}

自定义点类型映射

PCDSharp 自动处理字段映射，支持以下映射规则：

public struct FlexiblePoint
{
    // 支持标准命名
    public float X, Y, Z;
    
    // 支持大小写变化
    public float intensity;  // 映射到 PCD 的 "intensity" 字段
    
    // 支持常见别名
    public float NormalX;    // 映射到 PCD 的 "normal_x" 字段
    public uint RGBA;        // 映射到 PCD 的 "rgba" 或 "rgb" 字段
}

性能特性

• 零拷贝读取: 直接从内存映射读取二进制数据
• Unsafe 代码: 在支持的平台上使用 unsafe 代码提升性能
• 内存友好: 支持大文件的流式处理
• 多框架优化: 针对不同 .NET 版本进行优化

项目结构

PcdSharp/
├── src/                          # 主库源码
│   ├── PcdSharp.csproj          # 主库项目文件
│   ├── PointCloud.cs            # 点云抽象基类
│   ├── PointCloudImpl.cs        # 点云具体实现
│   ├── IO/
│   │   ├── PCDReader.cs         # PCD 读取器
│   │   ├── PCDWriter.cs         # PCD 写入器
│   │   ├── PCDHeader.cs         # PCD 头部定义
│   │   ├── PointFactory.cs      # 点对象工厂
│   │   ├── FieldMapping.cs      # 字段映射
│   │   └── PointContainer.cs    # 点容器
│   ├── Struct/
│   │   └── PointTypes.cs        # 内置点类型定义
│   ├── Exceptions/
│   │   └── PcdException.cs      # 异常定义
│   └── Polyfills/
│       └── Vector3.cs           # .NET Framework 兼容性
├── example/                      # 示例程序
│   ├── PcdSharp.Examples.csproj # 示例项目文件
│   ├── Program.cs               # 示例程序主文件
│   └── *.pcd                    # 测试用 PCD 文件
└── README.md                    # 本文档

PCD 文件格式示例

简单 ASCII 格式

# .PCD v0.7 - Point Cloud Data file format
VERSION 0.7
FIELDS x y z
SIZE 4 4 4
TYPE F F F
COUNT 1 1 1
WIDTH 5
HEIGHT 1
VIEWPOINT 0 0 0 1 0 0 0
POINTS 5
DATA ascii
0.0 0.0 0.0
1.0 0.0 0.0
0.0 1.0 0.0
0.0 0.0 1.0
1.0 1.0 1.0

带颜色的 ASCII 格式

# .PCD v0.7 - Point Cloud Data file format
VERSION 0.7
FIELDS x y z rgba
SIZE 4 4 4 4
TYPE F F F U
COUNT 1 1 1 1
WIDTH 3
HEIGHT 1
POINTS 3
DATA ascii
0.0 0.0 0.0 4278190335
1.0 0.0 0.0 16711935
0.0 1.0 0.0 65535

带强度信息的 ASCII 格式

# .PCD v0.7 - Point Cloud Data file format
VERSION 0.7
FIELDS x y z intensity
SIZE 4 4 4 4
TYPE F F F F
COUNT 1 1 1 1
WIDTH 3
HEIGHT 1
POINTS 3
DATA ascii
0.0 0.0 0.0 100.5
1.0 0.0 0.0 85.2
0.0 1.0 0.0 120.8

编译和运行

编译库

# 编译所有目标框架
dotnet build

# 编译特定框架
dotnet build -f net9.0
dotnet build -f net462

运行示例程序

# 运行默认示例（创建示例点云）
dotnet run --project example

# 读取指定 PCD 文件
dotnet run --project example -- "path/to/your.pcd"

# 在 example 目录中直接运行
cd example
dotnet run test_simple_ascii.pcd

API 参考

PCDReader 类

静态方法

方法	描述
ReadHeader(string filePath)	从文件读取 PCD 头部信息
ReadHeader(StreamReader reader)	从流读取 PCD 头部信息
Read<T>(string filePath)	读取指定类型的点云数据
Read<T>(Stream stream)	从流读取指定类型的点云数据
ReadPoints<T>(string filePath)	读取点列表（向后兼容）

PCDWriter 类

静态方法

方法	描述
Write<T>(string filePath, PointCloud<T> pointCloud, DataEncoding encoding)	写入点云到文件
Write<T>(Stream stream, PointCloud<T> pointCloud, DataEncoding encoding)	写入点云到流

DataEncoding 枚举

值	描述	读取支持	写入支持
ASCII	ASCII 文本格式	✅	✅
Binary	二进制格式	✅	✅
BinaryCompressed	LZF 压缩二进制格式	✅	❌

PCDHeader 类

属性	类型	描述
Version	string	PCD 版本号
Fields	List<string>	字段名列表
Size	List<int>	每个字段的字节大小
Type	List<string>	每个字段的数据类型 (F/I/U)
Count	List<int>	每个字段的元素数量
Width	int	点云宽度
Height	int	点云高度
Points	long	总点数
Data	DataEncoding	数据编码格式
IsDense	bool	是否为密集点云
ViewPoint	List<float>?	视点坐标 (7 个 float)

PointCloud 抽象类

属性/方法	描述
Points	点数据列表
Count	点数量
Width, Height	点云尺寸
IsDense	是否密集
IsOrganized	是否组织化
At(int col, int row)	访问组织化点云中的特定点
Add(T point)	添加点
Clear()	清空所有点
Reserve(int capacity)	预留内存容量
Dispose()	释放资源（实现IDisposable接口）

注意: PointCloud 实现了 IDisposable 接口，推荐使用 using 语句进行资源管理：

using var pointCloud = new PointCloudImpl<PointXYZ>();
// 使用 pointCloud...
// 自动调用 Dispose()

支持的 .NET 版本

• .NET Framework 4.6.2, 4.7.2, 4.8
• .NET Standard 2.0, 2.1
• .NET 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0

限制和已知问题

• 写入限制: 目前不支持 Binary Compressed 格式的写入
• 内存使用: 大文件会占用大量内存，建议对超大文件进行分块处理
• .NET Framework: 在 .NET Framework 4.6.2 中，组织化点云的 At() 方法不可用

兼容性和质量保证

• ✅ PCL 兼容: 生成的 PCD 文件与 Point Cloud Library 完全兼容
• ✅ CloudCompare 支持: 支持在 CloudCompare 中导入和查看
• ✅ 标准合规: 严格遵循 PCD v0.7 格式规范
• ✅ 跨平台: 支持 Windows、Linux、macOS
• ✅ 编码规范: 输出文件使用标准 UTF-8 编码（无BOM），LF换行符
• ✅ 字段顺序: 自动按照 PCL 标准对字段进行排序（x, y, z, normal_x, normal_y, normal_z, curvature, rgb, rgba, intensity, etc.）

许可证

本项目采用 MIT 许可证。详见 LICENSE 文件。

贡献

欢迎提交 Issue 和 Pull Request！

开发指南

1. Fork 本仓库
2. 创建特性分支 (git checkout -b feature/AmazingFeature)
3. 提交更改 (git commit -m 'Add some AmazingFeature')
4. 推送到分支 (git push origin feature/AmazingFeature)
5. 创建 Pull Request

致谢

感谢 Point Cloud Library (PCL) 项目提供的 PCD 格式规范和参考实现。