2、点云数据基础：激光雷达工作原理与数据格式

大家好，我是你们的讲师。今天我们来聊聊点云数据的“根”——激光雷达到底是怎么工作的，以及它吐出来的数据长什么样。

说实话，我刚入行那会儿，也踩过不少坑。比如拿到一份.bin格式的点云，直接当文本打开，结果全是乱码。后来才明白，这玩意儿是二进制，得用专门的解析方式。嗯，咱们今天就把它彻底讲透。

2.1 激光雷达工作原理

激光雷达，英文叫LiDAR（Light Detection And Ranging）。说白了，就是“激光探测与测距”。它的核心任务就一个：测量目标物体的距离。

2.1.1 TOF（飞行时间法）—— 最主流的测距方式

TOF，全称Time of Flight。原理其实很简单：

1. 激光器发射一束激光脉冲
2. 激光打到目标物体上，反射回来
3. 接收器捕获反射光
4. 计算发射和接收的时间差 Δt
5. 距离 = c × Δt / 2（c是光速）

为什么除以2？因为光走了个来回。你想想看，从雷达到物体，再从物体回雷达，路程是两倍距离。

我在项目中遇到过一个问题：TOF雷达在强阳光下容易“饱和”。因为太阳光里也有近红外成分，会干扰接收器。后来我们加了窄带滤光片，只让激光雷达自己的波长通过，这才解决了。

2.1.2 机械式 vs 固态 —— 两种主流架构

这里我给大家画个对比，一目了然。

我个人习惯把机械式叫做“老大哥”，固态叫做“新秀”。机械式虽然成熟，但那个旋转电机一旦坏了，整个雷达就废了。我曾经拆过一个坏掉的机械式雷达，里面那个滑环磨得都快断了。

固态雷达呢，没有旋转部件，靠的是光学相控阵或者微振镜来改变激光方向。好处是寿命长、体积小。但视场角目前还做不到360°，一般需要多个拼接。

2.2 点云数据结构

雷达把距离测出来了，但怎么存成数据呢？这就涉及到点云的数据结构了。

2.2.1 XYZI —— 最基础的点云格式

每个点，至少包含四个信息：

• X：水平方向坐标（米）
• Y：垂直方向坐标（米）
• Z：深度方向坐标（米）
• I：反射强度（Intensity，通常0-255）

为什么要有强度？你想想看，黑色车和白色车，距离一样，但反射回来的光强不一样。强度信息可以用来区分路面标线、车道线等。

struct PointXYZI {
    float x;      // 4字节
    float y;      // 4字节
    float z;      // 4字节
    float intensity; // 4字节
}; // 总共16字节

我在项目中遇到过一个问题：有些雷达会输出额外的信息，比如时间戳、环号（第几根激光束）。这时候就需要自定义结构体了。但最通用的还是XYZI。

2.2.2 PCD格式 —— 点云库的标准格式

PCD（Point Cloud Data）是PCL（Point Cloud Library）定义的格式。它分为两种：

一个典型的PCD文件头长这样：

# .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 100000
HEIGHT 1
VIEWPOINT 0 0 0 1 0 0 0
POINTS 100000
DATA ascii
x1 y1 z1 intensity1
x2 y2 z2 intensity2
...

2.2.3 BIN格式 —— 最原始的二进制格式

BIN格式没有标准头文件，就是纯粹的二进制数据。每个点按固定字节数排列。

以XYZI为例，每个点16字节，那么：

• 第0-3字节：x坐标（float）
• 第4-7字节：y坐标（float）
• 第8-11字节：z坐标（float）
• 第12-15字节：intensity（float）

读取BIN文件的Python代码：

import numpy as np

def read_bin_pointcloud(file_path):
    """读取KITTI格式的.bin点云文件"""
    points = np.fromfile(file_path, dtype=np.float32)
    points = points.reshape(-1, 4)  # 每行4个值: x, y, z, intensity
    return points

# 使用示例
pc = read_bin_pointcloud('000001.bin')
print(f"点云点数: {pc.shape[0]}")
print(f"前5个点:\n{pc[:5]}")

2.3 三种格式的对比与选择

我把三种格式的优缺点整理成了一张表，方便你快速决策：

我个人习惯是：开发阶段用PCD（方便可视化），部署阶段用BIN（速度快、体积小）。至于XYZI裸数据，一般只有雷达驱动层才会用到，做上层感知的很少直接接触。