Kinect v2深度测量原理

【翻译】Kinect v2程序设计(C++) Depth编

Kinect SDK v2预览版，取得Depth数据的方法说明。

上一节，介绍了 通过使用 Kinect for Windows SDK v2 预览版 （以下简称为， Kinect SDK v2 预览版） 从 Kinect for Windows v2 开发者预览版（后面称， Kinect v2  预览版）取得Color的方法。

 

这一节，介绍的是从Kinect取得Depth数据的方法。

 

Depth传感器

Kinect搭载Depth传感器，可以取得Depth数据（和传感器的距离信息）。

 

Kinect v1， 可以读取投射的红外线pattern， 从pattern 的变形获取Depth的信息， 搭载了「Light Coding」方式的Depth传感器。

 

Kinect v2预览版，通过从投射的红外线脉冲反射回来的时间来获得Depth的信息，变更为「Time of Flight(ToF)」方式的Depth传感器。

 

「Light Coding」是以色列 PrimeSense公司的Depth传感技术。详细请参照专利信息， 美国申请专利公开（US 2010/0118123 A1）- Depth Mapping using Projected Patterns。

 

「Time of Flight(ToF)」是美国微软公司收购的拥有Time of Flight(ToF)方式的Depth传感技术的公司（3DV Systems公司，Canesta公司），一般认为使用的是这个技术。

 

Depth数据的分辨率， Kinect v1是320×240， 不过， Kinect v2 预览版提升为512×424。另外， 深度方向的分辨率也提高了。

可以 取得 Depth 的 数据范围 ， Kinect v1是0.8～4.0[m]的范围 ，  Kinect  v2 预览版可以取得0.5～4.5[m]的范围。

 

上面说的是Default Mode的Depth数据范围。 Kinect v1提供了取得近距离的Depth数据的 Near Mode（0.4～3.0[m]）和取得远距离Depth数据的 Extended Depth（～约10.0[m]）。但是， 偏离 Default Mode的范围的 Depth数据的精度会下降。

 

这节，介绍从Depth传感器取得Depth数据的方法。

图1「Light Coding」方式和「Time of Flight(ToF)」方式的差异（Depth传感器的工作原理的图像）

示例程序

 

Kinect SDK v2 预览版取得Depth数据， 可视化展示 的示例程序。上一节的介绍的数据取得阶段的摘录解说。这个示例程序的全部内容， 在下面的github里全部公开了。

https://github.com/UnaNancyOwen/Kinect2Sample

 

图2 Kinect SDK v2预览版的数据取得流程(重发)

 

「Sensor」

取得「Sensor」

// Sensor
IKinectSensor* pSensor;   ……1
HRESULT hResult = S_OK;
hResult = GetDefaultKinectSensor( &pSensor );  ……2
if( FAILED( hResult ) ){
  std::cerr << "Error : GetDefaultKinectSensor" << std::endl;
  return -1;
}
hResult = pSensor->Open();  ……3
if( FAILED( hResult ) ){
  std::cerr << "Error : IKinectSensor::Open()" << std::endl;
  return -1;
}

列表1.1 相当于图1「Sensor」的部分(重发)

1 处理Kinect v2预览版的Sensor接口。

2 取得默认的 Sensor。

3 打开Sensor。

 

「Source」

从「Sensor」取得「Source」。

// Source
IDepthFrameSource* pDepthSource;  ……1
hResult = pSensor->get_DepthFrameSource( &pDepthSource );  ……2
if( FAILED( hResult ) ){
  std::cerr << "Error : IKinectSensor::get_DepthFrameSource()" << std::endl;
  return -1;
}

列表1.2  相当于图1「Source」的部分

1 取得Depth Frame的Source接口。

2 从Sensor取得 Source。

 

  Kinect SDK v1， 要取得 Depth数据主要是利用可以同时取得的 Depth和 Player(人体区域 )的「Stream」。因此， 必须要有Depth数据和Player数据的分割处理。（注： Kinect SDK v1提供2种方式来处理Depth和Player Index，老的方法返回一组USHORT，通过位移分离两者；新的方法返回各为2个USHORT的结构 ）

 

Kinect SDK v2预览版，Depth和BodyIndex（相当于Kinect SDK v1的Player）分别作为「Source」取得，关于BodyIndex在下一节介绍。

 

Kinect SDK v1也准备了取得Depth的「Stream」，因为获取Player和Skeleton(人体姿势)数据的情况也很多，主要可以同时取得Depth和Player的「Stream」。

 

「Reader」

「Source」从打开「Reader」。

// Reader
IDepthFrameReader* pDepthReader;  ……1
hResult = pDepthSource->OpenReader( &pDepthReader );  ……2
if( FAILED( hResult ) ){
  std::cerr << "Error : IDepthFrameSource::OpenReader()" << std::endl;
  return -1;
}

列表1.3 相当于图1「Reader」的部分

1 取得Depth Frame的Reader接口。

2 从Source打开Reader。

 

「Frame」～「Data」

从「Reader」取得最新的「Frame」。

int width = 512;  ……1
int height = 424;  ……1
unsigned int bufferSize = width * height * sizeof( unsigned short );  ……2
cv::Mat bufferMat( height， width， CV_16SC1 );  ……3
cv::Mat depthMat( height， width， CV_8UC1 );  ……3
cv::namedWindow( "Depth" );
while( 1 ){
  // Frame
  IDepthFrame* pDepthFrame = nullptr;  ……4
  hResult = pDepthReader->AcquireLatestFrame( &pDepthFrame );  ……5
  if( SUCCEEDED( hResult ) ){
    hResult = pDepthFrame->AccessUnderlyingBuffer( &bufferSize， reinterpret_cast( &bufferMat.data ) );  ……6
    if( SUCCEEDED( hResult ) ){
      bufferMat.convertTo( depthMat， CV_8U， -255.0f / 4500.0f， 255.0f );  ……7
    }
  }
  SafeRelease( pDepthFrame );
  // Show Window
  cv::imshow( "Depth"， depthMat );
  if( cv::waitKey( 30 ) == VK_ESCAPE ){
    break;
  }
}

列表1.4 相当于图1「Frame」，「Data」的部分

1 Depth数据的尺寸(512×424)。

    这里为了简化说明，画像尺寸用硬代码来设定，示例程序可以Source取得着Frame信息。

2 Depth数据的尺寸。

3 为了处理Depth数据而准备的OpenCV的cv::Mat类型。

 「bufferMat」是16bit的原始的Depth数据，「depthMat」为了作为图像显示，把Depth数据储存到8bit的范围里的处理。

 「CV_16SC1」，是把无符号16bit整数(16S) 放入1个channel(C1)并列来表现1个像素的数据格式。（注：应该是CV_16UC1才对）

 「CV_8UC1」，是表现无符号8bit整数  (8U)的数据格式。

4 取得Depth数据的Frame接口。

5 从Reader取得最新的Frame。

6 从Frame取得Depth数据。

   取得Depth数据存储数组的指针。这里为了 Depth数据可视化，方便变化处理，用cv::Mat类型来获取。

7 为了 显示Depth数据图像，从16bit转换为8bit。

 

如果得到「Frame」， 就可以把取出Depth数据， 作成图像来可视化。

 

取出的Depth数据， 像图3一样以16bit(0～4500)为1像素来构成。

因为这样的图像不能显示（注：OpenCV只能显示8bit的图像数据），需要 把格式转化为8bit(0～255)的范围。示例程序， 使用cv::Mat的转换命令（cv::Mat::convertTo()）把离传感器距离近的显示很白(255)， 远的显示为很黑(0)的方式来转化。

图3　Depth数据的排列

运行结果

运行这个示例程序的话，在 Kinect v2 预览版取得深度图像， 就像图4一样。

图4 运行结果

 

总结

本节介绍了通过 Kinect SDK v2 预览版取得Depth数据的示例程序。下一节介绍取得B odyIndex数据的示例程序。