三维数据学习笔记：ply数据内容介绍「建议收藏」

前言

最近根据公司的调整开始转向三维重建和三维检测方向。对于三维方向而言，首先应该认识三维数据的存储形式。三维数据的形式多种多样，截止到现在我已经看到了ply格式数据、obj格式数据、pcd格式数据、osgb格式数据、b3dm格式数据等等。相比于二维图像，三维数据的形式更多且复杂。因此，我打算整理出常用的三维数据存储格式总结文章。本篇以ply格式数据作为开篇。

本篇文章简单介绍ply的基础属性，可能有部分的属性没有涉及到，望读者朋友见谅！

参考博客：
1.作者:飞天牛牛, 学习 点云格式（PLY)

1. 三维数据的组成

相比于二维图像是用像素点构成，三维数据则是由顶点和面构成。在ply格式数据中，既可以包含顶点数据，也可以包含面数据。但是顶点数据是必须存在的。

1.1 点云数据

当数据中只存在顶点数据，没有面数据时，一般称为点云数据。这些顶点数据是由vector<x, y, z>表示。点云数据的显示如下图：

通过Notepad++（或者其他文本查看软件），可以看到ply里面的内容，都是由点构成，如下图所示：

1.2 网格数据

当数据中有面属性时，一般称为网格数据（mesh）。网格数据在我的理解中就是由许多面片（多边形）构成的数据，面片可以是三角面片，四边形面片等，但是常用的是三角面片构成的网格数据。

有面属性的数据，肯定会有点云数据，因为面是由点构成的。

网格数据展示如下图所示：

如果有纹理图映射的话，效果如下：
通过Notepad++（或者其他文本查看软件），可以看到ply里面的内容，可以看到文本中既有点云数据，也有面数据。如下图所示：

此示例可以明显看到三角面片构成的物体。

2. ply数据内容

ply格式数据是通过文本进行描述的。因此，可以通过Notepad++等文本编辑软件进行打开查看。内容如下图所示：

从上图中可以看出，ply格式数据主要可以分为两个部分，分别是属性和数据。为了方便后续的介绍，我这里先列出一个ply格式框架。如下所示：

属性
   |—-文本描述属性 （ply, format, comment 等等）
   |—-数据描述属性
   |      |—-element1：元素声明
   |      |—-property1：元素数据组成声明
   |      |—-element2：元素声明
   |      |—-property2：元素数据组成声明
   |      |—- …
   |—文本描述属性（end_header）
数据
   |—-element1对应的数据，以property1的声明方式存储。
   |—-element2对应的数据，以property2的声明方式存储。
   |—- …

2.1 属性

属性部分主要是由文本描述属性和数据描述属性组成，其中数据描述属性包含vertex（顶点），face（面），camera（相机参数）等元素，文本描述属性则是描述文件的存储格式、存储来源以及文本注释。

2.1.1 文本描述属性

本节通过图片示例来进行介绍，图片示例如下：

第一行，用来表示这是ply数据。

ply

第二行，用来描述数据的存储形式，一般为两种分别是ascii存储和binary_little_endian存储。图片示例中表示是ascii存储。

format ascii 1.0

• 其他情况: binary_little_endian存储（字节流存储）
  format binary_little_endian 1.0

第三行，用来描述该ply数据是由什么软件或者库生成的。图片示例中表示是由PCL库生成的。
"comment"为关键字，表示注释，用来声明后面为注释内容。因此，读者可以通过comment自行添加注释内容

comment PCL generated

• 其他情况:
  comment VCGLIB generated
  …

最后一行，表示文本描述属性结束，是文本描述属性和数据描述属性的分隔符。

end_header

补充：如果包含纹理映射的话，还会有纹理图描述属性。如下图所示：
这个应该是固定格式，读者朋友自己修改后面的图片名就好。
以其中一行为例，内容如下。在示例中纹理图属性以空格为分隔符，将一行内容分隔为三个部分。第一个”comment”表示注释的关键字，”TextureFile”表示这是纹理图属性，”Tile_+082_+121_L22_00001100_0.jpg”则是纹理图的名称。

comment TextureFile Tile_+082_+121_L22_00001100_0.jpg

2.1.2 数据描述属性

数据描述属性由很多元素组成，其中每个元素都由element（元素声明）和property（元素数据组成声明）构成。element描述了该元素的名称及数量，property描述了元素数据的存储形式，数据类型以及数据名称。

同样以图片示例来介绍，图片示例如下：

2.1.2.1 顶点(vertex)

在图片示例中，从第四行到第十一行描述的是顶点元素。

element vertex 3544221
property float x
property float y
property float z
property float nx
property float ny
property float nz
property float curvature

其中，第四行，”element”是关键字，”vertex”表示这是顶点元素， “3544221”表示顶点的数量。

element vertex 3544221

第五行，用来描述顶点元素中的x坐标，其中”property”是关键字， “float”表示数据类型，”x”表示数据名称。

property float x

第六行，用来描述顶点元素中的y坐标，其中”property”是关键字，”float”表示数据类型，”y”表示数据名称。

property float y

第七行，用来描述顶点元素中的z坐标，其中”property”是关键字， “float”表示数据类型，”z”表示数据名称。

property float z

第八行，用来描述顶点元素中法向量的x坐标，其中”property”是关键字， “float”表示数据类型，”nx”表示数据名称。

property float nx

第九行，用来描述顶点元素中法向量的y坐标，其中”property”是关键字， “float”表示数据类型，”ny”表示数据名称。

property float ny

第十行，用来描述顶点元素中法向量的z坐标，其中”property”是关键字， “float”表示数据类型，”nz”表示数据名称。

property float nz

第十一行，用来描述顶点元素中曲率，其中”property”是关键字， “float”表示数据类型，”curvature”表示数据名称。

property float curvature

除此之外，还有颜色的property，分别是RGB。如下面示例所示：

其中，对于property uint8 blue而言，”property”是关键字，”uint8″表示为uint8类型，”blue”为数据名称。该property是用来描述顶点的蓝色通道数据。

对于property uint8 green而言，”property”是关键字，”uint8″表示为uint8类型，”green”为数据名称。该property是用来描述顶点的绿色通道数据。

对于property uint8 red而言，”property”是关键字，”uint8″表示为uint8类型，”red”为数据名称。该property是用来描述顶点的红色通道数据。

2.1.2.2 面(face)

在图片示例中，从第十二行到第十三行描述的是面元素。

element face 6607259
property list uchar int vertex_indices

其中，第十二行，”element”是关键字，”face”表示这是面元素， “6607259”表示面的数量。

element face 6607259

第十三行，用来描述面元素中的各个顶点的索引，其中”property”是关键字，”list”表示使用list类型存储数据，”uchar”表示list中的数据个数，类型为uchar类型，”int”表示list中数据为int类型，”vertex_indices”为数据名称。

property list uchar int vertex_indices

如果有纹理图映射的话，还有两个元素，分别是”texcoord”和”texnumber”。如下面示例所示：

其中，对于property list uchar float texcoord而言，”property”是关键字， “list”表示使用list类型存储数据，”uchar”表示list中的数据个数，类型为uchar类型，”float”表示list中数据为float类型，”texcoord”为数据名称。”texcoord”表示为顶点数据到二维纹理图上的坐标（归一化后）。

对于property int texnumber而言，”property”是关键字，”int”表示数据为int类型，”texnumber”为数据名称。”texnumber”表示为每个面片对应的是哪一张纹理图。

2.1.2.3 相机(camera)

这个我不太理解，可以附上例子方便读者参考。相机属性如下图所示：

2.2 数据

在属性之后，就是数据部分。数据部分有两种存储形式，分别是ASCII存储形式和binary存储形式，具体展示如下图所示。为了方便介绍，本篇文章将以ASCII存储形式为例子。数据部分的内容分别对应上节的数据描述属性中不同元素的内容。下面，我将分别介绍

2.2.1 顶点(vertex)

在数据描述属性中，顶点元素的内容如下：

element vertex 3544221
property float x
property float y
property float z
property float nx
property float ny
property float nz
property float curvature

其对应的数据存储形式为：

27498 5145 1.7902 -0.050252 -0.90111 -0.43067 0.057233
27499 5144.9 1.3479 -0.038979 -0.80628 -0.59026 0.071784
…

以第一行”27498 5145 1.7902 -0.050252 -0.90111 -0.43067 0.057233″为例，可以看到数据之间使用空格进行分开，并以property声明的数据顺序分别排序，即以x y z nx ny nz curvature的顺序从左往右排序。

• x=27498，表示顶点x轴坐标，数据类型为float。
• y=5145，表示顶点y轴坐标，数据类型为float。
• z=1.7902，表示顶点z轴坐标，数据类型为float。
• nx=-0.050252，表示法向量x轴坐标，数据类型为float。
• ny=-0.90111，表示法向量y轴坐标，数据类型为float。
• nz=-0.43067，表示法向量z轴坐标，数据类型为float。
• curvature=0.057233，表示该顶点的曲率，数据类型为float。

这样一行就表示一个顶点数据，该数据数量根据描述属性有3544221个。

如果是带有RGB颜色的数据，还是同样的道理，此处不作过多赘述。如下图所示：

2.2.2 面(face)

在数据描述属性中，面元素的内容如下：

element face 10501193
property list uchar int vertex_indices

其对应的数据存储形式为：

3 154643 190669 190652
3 154656 154643 190669
…

以第一行”3 154643 190669 190652″为例，可以看到，数据之间使用空格进行分开，以列表的方式进行依次存储，存储的类型为uchar int int int。

• “3”表示后面为包含3个点的列表，列表中分别对应三角面片的三个顶点索引，数据类型为uchar。
• “154643”表示第一个顶点索引，即在之前的顶点数据中的第154643个顶点，数据类型为int。
• “190669”表示第二个顶点索引，即在之前的顶点数据中的第190669个顶点，数据类型为int。
• “190652”表示第三个顶点索引，即在之前的顶点数据中的第190652个顶点，数据类型为int。

这样的一行就表示一个面，该数据数量根据描述属性有10501193个。

如果还有纹理图映射的话，还有两个property，分别是：

element face 10501193
property list uchar int vertex_indices
property list uchar float texcoord
property int texnumber

其对应的数据存储形式为：

3 154643 190669 190652 6 0.021484 0.958008 0.029297 0.999023 0.001953 0.958008 0

• 前4个数据同上面介绍，不过多赘述。
• “6”表示后面有包含六个点的list，列表中分别对应三个顶点在纹理图上的映射坐标。数据类型为uchar。
• “0.021484”表示第一个顶点在纹理图上x轴的归一化后坐标，数据类型为float。
• “0.958008”表示第一个顶点在纹理图上y轴的归一化后坐标，数据类型为float。
• “0.029297”表示第二个顶点在纹理图上x轴的归一化后坐标，数据类型为float。
• “0.999023”表示第二个顶点在纹理图上y轴的归一化后坐标，数据类型为float。
• “0.001953”表示第三个顶点在纹理图上x轴的归一化后坐标，数据类型为float。
• “0.958008”表示第三个顶点在纹理图上y轴的归一化后坐标，数据类型为float。
• “0” 表示该顶点在第1张纹理图上，纹理图的顺序在文本描述属性中已经列出，数据类型为int。

这样的一行就表示一个三角面片的纹理贴图。

2.2.3 相机(camera)

我通过PCL库在保存法向量计算后的结果中，发现了如下元素。该是元素应该是PCL库保存数据后自动添加的。对于相机元素，我还不是很懂。因此，此处仅仅列出结果，如果后续有涉及，我会重新编辑此处内容。

数据描述属性：

其对应的数据存储形式为：

3. 示例

3.1 示例1

第一个示例是不包含纹理图映射的，四边形面片组成的立方体网格数据。

该示例引用博客学习 点云格式（PLY)。

示例内容如下(使用时请把注释内容删掉)：

ply                                    # 文本描述属性：开头
format ascii 1.0                       # ascii存储形式
comment made by Greg Turk              # 注释：由Greg Turk创建
comment this file is a cube            # 注释：这是一个立方体
element vertex 8                       # element：顶点8个 
property float x                       # property：x
property float y                       # property：y
property float z                       # property：z
element face 6                         # element：面6个 
property list uchar int vertex_index   # property：vertex_index
end_header                             # 文本描述属性：结尾
0 0 0                                  # 第一个点坐标（0，0，0） 
0 0 1
0 1 1
0 1 0
1 0 0
1 0 1
1 1 1
1 1 0
4 0 1 2 3                              # 第一个四边形面片 
4 7 6 5 4
4 0 4 5 1
4 1 5 6 2
4 2 6 7 3
4 3 7 4 0

可视化展示如下：

3.2 示例2

第二个示例是包含纹理映射的，三角面片构成的方锥。示例如下：

注意：

1. 纹理图要和ply数据放在同一目录下。
2. 纹理图的坐标原点下在右下角，其中横轴为x，纵轴为y。

ply                                    
format ascii 1.0                       
comment made by Greg Turk             
comment this file is a cube 
comment TextureFile 1.png           
element vertex 5                             
property float x                       
property float y                       
property float z                      
element face 4                         
property list uchar int vertex_index 
property list uchar float texcoord
property int texnumber  
end_header                             
0 0 0                                            
0 1 0
1 0 0
1 1 0
0.5 0.5 1
3 0 1 4 6 1 0 0 0 0.5 1 0
3 2 0 4 6 1 0 0 0 0.5 1 0
3 1 3 4 6 1 0 0 0 0.5 1 0
3 3 2 4 6 1 0 0 0 0.5 1 0

可视化展示：

存放展示：

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