RGB-D Camera 汇总

本文详细介绍了RGB-D相机的几种主流深度测量技术,包括双目摄像头、结构光、ToF及光编码,并对比了各类技术的特点与应用场景。同时,还列举了几款代表性RGB-D产品的性能参数,最后对比了Kinect V1与V2的传感器配置。

1. RGB-D Camera

    1)深度测量技术分类

         

    2) 各种方案的比较

         

    3)Three-dimensional vision sensor technology comparisons

        


1.1 双目摄像头 (Stereo Camera)

      1)原理:

          - Most stereo methods extract depth values at pixels where either corresponding features or texture information is available.  
          - Accuracy in stereo systems depends on the setup, where typical parameters are for example baseline, focal length, etc.

          - Stereo Matching 

         

      

      2)特点:精度高,但是主要问题是体积较大,难以应用到移动端,如手机和VR头显上。结构光的方案则抗光性差,而且不能在近距离使用。

      3)代表:Leap Motion 

1.2 结构光 (Structured Light)

    1) 原理

     

      

     
          

       - The accuracy depends on the setup and is depending on parameters likebaseline, focus, light pattern, etc.

     2)代表:Kinect V1

1.3 TOF (Time of Flight)

     1)原理:

            -  测量发射与反红外(IR)信号的相位延迟(phase-delay)

            - 计算每个sensor像素到目标物体的距离

           

           - 相位差(延迟)通过四个电荷值的关系进行计算,这四个相位控制信号之间有90度的相位延迟,c = 300,000,000m/s

            

           - The operating range is between 0.8 meters to 3.5 meters, the spatial resolution is 3mm at 2 meters distance, and the depth resolution is 10mm at 2 meters distance. The FOV is 57×43 (HxV) degrees.

           - ToF sensor is composed by a matrix of distance sensors. Despite these functional improvements (compared to conventional imaging sensors) the sensor itself is still a standard CMOS sensor. Therefore imaging and 3-D measurement capabilities can be placed next to system-relevant electronics like analog-digital converters, etc. All “intelligence” of the sensor is included on the chip, meaning that the distance is computed per pixel. Therefore ToF pixels are also called “smart pixels”.

     2)主要问题:

           - 精确度低、空间分辨率低

           - 运动模糊 (motion blur 相机运动或目标运动)

     3)特点:  TOF虽然目前精度在厘米级,比Leap Motion等毫米级要低,但目前的设备已经比Leap Motion等更小也更便宜,未来可以做到更小,能够植入移动端。

     4)代表:Kinect V2

          目前主流的有TOF相机厂商有PMD、MESA、Optrima、微软等几家,其中MESA在科研领域使用较大,相机紧凑性好,而PMD是唯一一款能够在户内、户外均能使用的TOF相机,并且能够具有多种探测距离,可用于科研、工业等各种场合。而Optrima、微软的相机主要面向家庭、娱乐应用,价位较低。

1.4 光编码(Light Coding)

     光编码(Light Coding)技术(由PrimeSense提出):不同于传统的ToF或者结构光测量技术,Light Coding使用的是连续的照明(而非脉冲),也不需要特制的感光芯片,而只需要普通的CMOS感光芯片,这让方案的成本大大降低。

      Light Coding,顾名思义就是用光源照明给需要测量的空间编上码,说到底还是结构光技术。但与传统的结构光方法不同的是,他的光源打出去的并不是一副周期性变化的二维的图像编码,而是一个具有三维纵深的“体编码”。这种光源叫做激光散斑(laser speckle),是当激光照射到粗糙物体或穿透毛玻璃后形成的随机衍射斑点。这些散斑具有高度的随机性,而且会随着距离的不同变换图案。 也就是Kinect说的空间中任意两处的散斑图案都是不同的。只要在空间中打上这样的结构光,整个空间就都被做了标记,把一个物体放进这个空间,只要看看物体上面的散斑图案,就可以知道这个物体在什么位置了。

     当然,在这之前要把整个空间的散斑图案都记录下来,所以要先做一次光源的标定。在PrimeSense的专利上,标定的方法是这样的:每隔一段距离,取一个参考平面,把参考平面上的散斑图案记录下来。假设Natal规定的用户活动空间是距离电视机1米到4米的范围,每隔10cm取一个参考平面,那么标定下来我们就已经保存了30幅散斑图像。需要进行测量的时候,拍摄一副待测场景的散斑图像,将这幅图像和我们保存下来的30幅参考图像依次做互相关运算,这样我们会得到30幅相关度图像,而空间中有物体存在的位置,在相关度图像上就会显示出峰值。把这些峰值一层层叠在一起,再经过一些插值,就会得到整个场景的三维形状了。    

2. 目前主要RGB-D产品

产品延迟FPSDOF感应角度使用距离焦距价格技术方案
LeapMotion10ms120Hz26120度70cm以内30cm699双目摄像头
uSens16ms60Hz26120度70cm以内30cm699双目摄像头
微动10ms100Hz23120度70cm以内40cm699双目摄像头
Nimble25ms45Hz 110度0-1.2m无需定焦699TOF
ThisVR16ms60Hz26110度0-1.5m无需定焦299TOF
Kinect One30ms30Hz 60度0.5-4m无需定焦999TOF
Intel(Omek)33ms30Hz 90度1-31m外1099结构光
奥比中光33ms30Hz  1-30.5m外999结构光

ToF: SoftKinetics, PMD, MSFT

SL(Structured Light):  PS, Intel, Mantis, Morvidius

Stereo: Intel

3. Kinect V1 VS Kinect V2

3.1 Sensor配置比较

  Kinect V1 Kinect V2           
颜色(Color) 分辨率(Resolution) 640×480 1920×1080
fps 30fps 30fps
深度(Depth) 分辨率(Resolution) 320×240(upsample:640x480) 512×424
fps 30fps 30fps
人物数量(Player) 6人 6人
人物姿势(Skeleton) 2人 6人
関節(Joint) 20関節/人 25関節/人
手的開閉状態(Hand State) △(Developer Toolkit) ○(SDK)
检测範囲(Range of Detection) 0.8~4.0m 0.5~4.5m
角度(Angle)(Depth) 水平(Horizontal) 57度 70度
垂直(Vertical) 43度 60度
(Tilt Motor) ×(手動)
複数的App ×(単一的App)
   (注:V1的要求是USB2.0理论传输速率是60MB/s,V2是USB3.0理论传输速率是500MB/s。可以计算一下,以XRGB Color为例,30fps,那么每秒所需传输的数据大小为640 x 480 x 4 x 30约为35M;再加上USHORT格式的Depth Color,30fps,大小为320 x 240 x 2 x 30约为4M。总计约为40MB/s,因为带宽有限,所以在保证画面帧率稳定的情况下,分辨率只能如此,而且基本上必须独占一个USB Controller。再算算v2的情况,Color = 1920 x 1080 x 4 x 30 约为237M,Depth = 512 x 424 x 2 x 30约为12M,总计约为250M/s。所以非USB3.0不可,否则传输不了这么大的数据量。显而易见,Color Map是最占带宽的,其实可以通过一些其他格式,比如I420或MJPG来减少数据量,然后通过CPU或GPU来进行解压和回放。) 

3.2 Kinect V1的关节图 

   

3.3 Kinect V2的关节图

   增加了头(Neck)指尖(HAND_TIP_LEFTHAND_TIP_RIGHT)大拇指(THUMB_LEFTTHUMB_RIGHT)5个Joint。

 

3.4 应用架构









<think>根据用户的问题,用户想要查找T-LESS数据集的处理代码。用户之前提供的引用中提到了T-LESS数据集,但引用[1]是关于ChIP-seq数据分析的,引用[2]是关于多个数据集(包括T-LESS)的汇总信息,但并没有提供具体的处理代码。 由于用户明确要求T-LESS数据集的处理代码,我们需要从引用[2]中获取关于T-LESS数据集的描述,并尝试根据该数据集的特点来推断或提供通用的处理流程代码。同时,我们也可以根据该数据集在6D物体姿态估计领域的常见处理方法提供代码示例。 T-LESS数据集是一个用于6D物体姿态估计的数据集,包含30个工业物体,没有明显的纹理或可辨别的颜色。因此,处理代码通常涉及物体检测、姿态估计等计算机视觉任务。 常见的处理流程包括: 1. 数据下载和预处理(如读取图像、深度图、标注信息) 2. 物体检测(如使用Mask R-CNN等模型) 3. 姿态估计(如使用PVNet, PVN3D, DenseFusion等算法) 由于用户没有指定具体的处理任务(如物体检测、姿态估计等),我将提供一个通用的处理流程,包括数据读取和预处理,以及一个简单的物体检测和姿态估计的示例代码。 注意:由于T-LESS数据集提供了多种传感器数据(RGB,深度,CAD模型等),代码示例将包括读取RGB图像和标注,并使用一个预训练的物体检测模型(如Mask R-CNN)进行物体检测,然后使用一个简单的姿态估计方法(如ICP)进行姿态估计(这里仅作为示例,实际中可能需要更复杂的算法)。 由于代码较长,我们将分步骤进行: 步骤1:下载数据集并解压(假设已经下载,存放于指定目录) 步骤2:读取数据集中的图像和标注 步骤3:使用预训练模型进行物体检测 步骤4:利用深度信息进行姿态估计(例如使用ICP算法) 由于完整的代码非常复杂,这里提供一个简化的示例,仅包括数据读取和物体检测部分,姿态估计部分由于涉及较多细节,只提供伪代码。 下面是示例代码: ```python # 导入必要的库 import os import json import numpy as np import cv2 from PIL import Image import matplotlib.pyplot as plt import torch import torchvision from torchvision.models.detection import maskrcnn_resnet50_fpn # 步骤1:定义数据目录和读取标注 dataset_dir = '/path/to/t-less' # 替换为实际路径 # 假设我们要读取训练集中的一个场景 scene_id = 1 camera = 'kinect' image_id = '0000' # 读取RGB图像 rgb_path = os.path.join(dataset_dir, f'train_primesense/{scene_id:02d}/rgb/{image_id}.png') rgb = cv2.imread(rgb_path) rgb = cv2.cvtColor(rgb, cv2.COLOR_BGR2RGB) # 读取深度图(如果有的话) depth_path = os.path.join(dataset_dir, f'train_primesense/{scene_id:02d}/depth/{image_id}.png') depth = cv2.imread(depth_path, cv2.IMREAD_UNCHANGED) # 深度图为16位 # 读取标注信息 gt_path = os.path.join(dataset_dir, f'train_primesense/{scene_id:02d}/scene_gt.json') with open(gt_path, 'r') as f: gt = json.load(f) # 注意:标注信息是按图像ID组织的,这里我们使用image_id(注意可能需要转换为整数索引) image_gt = gt[image_id] # 如果没有image_id为'0000'的键,则可能需要使用数字0 # 步骤2:使用预训练模型进行物体检测(这里使用Mask R-CNN) # 加载预训练模型 model = maskrcnn_resnet50_fpn(pretrained=True) model.eval() # 将图像转换为tensor transform = torchvision.transforms.Compose([torchvision.transforms.ToTensor()]) image_tensor = transform(rgb) image_tensor = image_tensor.unsqueeze(0) # 增加一个批次维度 # 进行推理 with torch.no_grad(): prediction = model(image_tensor) # 显示检测结果(这里只取第一个图像的预测) pred = prediction[0] # 设置一个阈值来过滤检测结果 score_threshold = 0.5 boxes = pred['boxes'][pred['scores'] > score_threshold] labels = pred['labels'][pred['scores'] > score_threshold] masks = pred['masks'][pred['scores'] > score_threshold] # 可视化检测结果(这里只可视化第一个检测到的物体) if len(boxes) > 0: # 画出边界框 box = boxes[0].numpy().astype(int) cv2.rectangle(rgb, (box[0], box[1]), (box[2], box[3]), (255,0,0), 2) # 如果有mask,可以画出mask mask = masks[0][0].numpy() > 0.5 # 阈值化得到二值mask rgb[mask] = rgb[mask] * 0.5 + np.array([0, 0, 255]) * 0.5 # 用蓝色半透明覆盖 plt.imshow(rgb) plt.show() # 步骤3:姿态估计(以ICP为例,这里仅提供伪代码,因为需要3D模型和相机内参) # 假设我们已经有了物体的3D模型(例如从T-LESS提供的CAD模型转换而来)和相机内参 # 根据检测到的物体ID(需要将检测的类别映射到T-LESS的物体ID)和深度图,进行位姿估计 # 由于T-LESS数据集没有纹理,所以通常使用基于深度的姿态估计算法 # 伪代码: # 1. 根据物体ID加载对应的3D模型点云 # 2. 使用深度图生成当前检测区域内的点云 # 3. 使用ICP(迭代最近点)算法将模型点云与场景点云对齐,得到姿态变换矩阵 # 由于实现ICP需要较长时间,且需要很多细节,这里不展开。 ``` 注意事项: 1. T-LESS数据集中的物体没有纹理,因此基于RGB的检测可能效果不佳,实际中通常会结合深度信息。 2. 上述代码中使用的Mask R-CNN是在COCO数据集上预训练的,可能无法直接检测T-LESS中的工业物体。通常需要在自己的数据集上重新训练。 3. 姿态估计部分需要利用数据集提供的3D模型和相机内参。 因此,更实际的做法是使用专门为T-LESS设计的代码库,例如: - https://github.com/thodan/t-less_toolkit (官方工具包) - https://github.com/wadimkehl/ssd-6d (一个流行的6D姿态估计方法,支持T-LESS) 建议用户参考这些代码库。 §§相关问题§§ 1. T-LESS数据集中的物体没有纹理,如何提高物体检测的准确性? 2. 如何训练一个针对T-LESS数据集的物体检测模型? 3. 除了ICP,还有哪些适用于T-LESS数据集的姿态估计算法? </think> ### T-LESS数据集处理代码指南 T-LESS数据集是一个用于6D物体姿态估计的基准数据集,包含30个无纹理的工业物体。以下是处理该数据集的典型流程和代码示例: #### 1. 数据下载与准备 ```python # 下载数据集 (官方地址需注册) # T-LESS官网:https://www.t-less.org/ # 或通过BOP数据集集成交互页面:https://bop.felk.cvut.cz/datasets/ # 解压后的目录结构示例: t-less/ ├── models/ # 物体3D模型 (PLY格式) ├── test_primesense/ # 测试集 (RGB+深度图) └── train_primesense/ # 训练集 (RGB+深度图) ``` #### 2. 数据加载示例 (Python) ```python import os import numpy as np import cv2 def load_tless_sample(scene_id=1, img_id=0): """加载单个样本数据""" base_path = "t-less/train_primesense" # 加载RGB图像 rgb_path = f"{base_path}/{scene_id:02d}/rgb/{img_id:04d}.png" rgb = cv2.cvtColor(cv2.imread(rgb_path), cv2.COLOR_BGR2RGB) # 加载深度图 (单位:毫米) depth_path = f"{base_path}/{scene_id:02d}/depth/{img_id:04d}.png" depth = cv2.imread(depth_path, cv2.IMREAD_UNCHANGED) # 加载位姿标注 with open(f"{base_path}/{scene_id:02d}/scene_gt.json") as f: annotations = json.load(f)[str(img_id)] return rgb, depth, annotations # 示例调用 rgb_img, depth_map, poses = load_tless_sample(scene_id=1, img_id=0) ``` #### 3. 6D姿态估计流程 (伪代码) ```python # 典型处理流程: # 1. 物体检测 -> 2. 特征提取 -> 3. 姿态估计 -> 4. 姿态优化 # 使用预训练模型示例 (PVNet) import torch from pose_estimation import PVNet # 初始化模型 model = PVNet(backbone='resnet18', num_classes=30) model.load_state_dict(torch.load('tless_pvnet.pth')) # 推理流程 def estimate_pose(rgb_image): preprocessed = preprocess(rgb_image) # 图像预处理 vector_fields = model(preprocessed) # 预测向量场 keypoints = solve_pnp(vector_fields) # 解算位姿 return keypoints ``` #### 4. 评估代码示例 ```python # 使用BOP工具包评估姿态精度 from bop_toolkit_lib import evaluator # 配置评估参数 eval_params = { 'dataset_name': 'tless', 'result_path': '/results.json', 'models_path': '/models', 'eval_path': '/eval' } # 运行评估 evaluator.evaluate(**eval_params) ``` #### 关键工具推荐 1. **BOP Toolkit** 官方评估工具:https://github.com/thodan/bop_toolkit ```bash pip install bop_toolkit ``` 2. **CosyPose** 支持T-LESS的SOTA方法:https://github.com/ylabbe/cosypose 3. **MaskedFusion** 多模态处理方法:https://github.com/mentian/MaskedFusion
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