Kinect 深度测量原理

和其他摄像机一样，近红外摄像机也有视场。Kinect摄像机的视野是有限的，如下图所示：

     如图，红外摄像机的视场是金字塔形状的。离摄像机远的物体比近的物体拥有更大的视场横截面积。这意味着影像的高度和宽度，比如640X480和摄像机视场的物理位置并不一一对应。但是每个像素的深度值是和视场中物体离摄像机的距离是对应的。深度帧数据中，每个像素占16位，这样BytesPerPixel属性，即每一个像素占2个字节。每一个像素的深度值只占用了16个位中的13个位。如下图：

     获取每一个像素的距离很容易，但是要直接使用还需要做一些位操作。可能大家在实际编程中很少情况会用到位运算。如上图所示，深度值存储在第3至15位中，要获取能够直接使用的深度数据需要向右移位，将游戏者索引(Player Index)位移除。后面将会介绍游戏者索引位的重要性。下面的代码简要描述了如何获取像素的深度值。代码中pixelData变量就是从深度帧数据中获取的short数组。PixelIndex基于待计算像素的位置就算出来的。SDK在DepthImageFrame类中定义了一个常量PlayerIndexBitmaskWidth，它定义了要获取深度数据值需要向右移动的位数。在编写代码时应该使用这一常量而不是硬编码，因为未来随着软硬件水平的提高，Kinect可能会增加能够同时识别人数的个数，从而改变PlayerIndexBitmaskWidth常量的值。

Int32 pixelIndex = (Int32)(p.X + ((Int32)p.Y * frame.Width));
Int32 depth = this.depthPixelDate[pixelIndex] >> DepthImageFrame.PlayerIndexBitmaskWidth;

显示深度数据最简单的方式是将其打印出来。我们要将像素的深度值显示到界面上，当鼠标点击时，显示鼠标点击的位置的像素的深度值。第一步是在主UI界面上添加一个TextBlock：

<Window x:Class="KinectDepthImageDemo.MainWindow"
        xmlns="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml/presentation"
        xmlns:x="http://schemas.microsoft.com/winfx/2006/xaml"
        Title="KinectDepthImage" Height="600" Width="1280" WindowStartupLocation="CenterScreen">
    <Grid>
        <StackPanel Orientation="Horizontal">
            <TextBlock x:Name="PixelDepth" FontSize="48" HorizontalAlignment="Left"  />
            <Image x:Name="DepthImage"  Width="640" Height="480" ></Image>
        </StackPanel>
    </Grid>
</Window>

接着我们要处理鼠标点击事件。在添加该事件前，需要首先添加一个私有变量lastDepthFrame来保存每一次DepthFrameReady事件触发时获取到的DepthFrame值。因为我们保存了对最后一个DepthFrame对象的引用，所以事件处理代码不会马上释放该对象。然后，注册DepthFrame 图像控件的MouseLeftButtonUp事件。当用户点击深度图像时,DepthImage_MouseLeftButtonUp事件就会触发，根据鼠标位置获取正确的像素。最后一步将获取到的像素值的深度值显示到界面上，代码如下：

void kinectSensor_DepthFrameReady(object sender, DepthImageFrameReadyEventArgs e)
{
   if (lastDepthFrame!=null)
   {
       lastDepthFrame.Dispose();
       lastDepthFrame = null;
   }
    lastDepthFrame = e.OpenDepthImageFrame();
    if (lastDepthFrame != null)
    {
        depthPixelDate = new short[lastDepthFrame.PixelDataLength];
        lastDepthFrame.CopyPixelDataTo(depthPixelDate);
        depthImageBitMap.WritePixels(depthImageBitmapRect, depthPixelDate, depthImageStride, 0);
    }
}
private void DepthImage_MouseLeftButtonUp(object sender, MouseButtonEventArgs e)
{
    Point p = e.GetPosition(DepthImage);
    if (depthPixelDate != null && depthPixelDate.Length > 0)
    {
        Int32 pixelIndex = (Int32)(p.X + ((Int32)p.Y * this.lastDepthFrame.Width));
        Int32 depth = this.depthPixelDate[pixelIndex] >> DepthImageFrame.PlayerIndexBitmaskWidth;
        Int32 depthInches = (Int32)(depth * 0.0393700787);
        Int32 depthFt = depthInches / 12;
        depthInches = depthInches % 12;
        PixelDepth.Text = String.Format("{0}mm~{1}'{2}", depth, depthFt, depthInches);
    }
}

 有一点值得注意的是，在UI界面中Image空间的属性中，宽度和高度是硬编码的。如果不设置值，那么空间会随着父容器（From窗体）的大小进行缩放，如果空间的长宽尺寸和深度数据帧的尺寸不一致，当鼠标点击图片时，代码就会返回错误的数据，在某些情况下甚至会抛出异常。像素数组中的数据是固定大小的，它是根据DepthImageStream的Enable方法中的DepthImageFormat参数值来确定的。如果不设置图像控件的大小，那么他就会根据Form窗体的大小进行缩放，这样就需要进行额外的计算，将鼠标的在Form中的位置换算到深度数据帧的维度上。这种缩放和空间转换操作很常见，在后面的文章中我们将会进行讨论，现在为了简单，对图像控件的尺寸进行硬编码。

    结果如下图，由于截屏时截不到鼠标符号，所以用红色点代表鼠标位置，下面最左边图片中的红色点位于墙上，该点距离Kinect 2.905米，中间图的点在我的手上，可以看出手离Kinect距离为1.221米，实际距离和这个很相近，可见Kinect的景深数据还是很准确的。

     上面最右边图中白色点的深度数据为-1mm。这表示Kinect不能够确定该像素的深度。在处理上数据时，这个值通常是一个特殊值，可以忽略。-1深度值可能是物体离Kinect传感器太近了的缘故。