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Kinect

Die Microsoft Kinect ist eine Kamera, welche für die Spielkonsole Xbox entwickelt wurde. Das Besondere an dieser Kamera ist ihre Möglichkeit, neben einem normalen RGB Bild, ein Tiefenbild ihrer Umgebung zurückzugeben. Damit wird es möglich komplexere Computer Vision Aufgaben zu implementieren. Darüber hinaus bietet das sog. Microsoft Kinect SDK die Möglichkeit das Skelett einer Person zu erkennen. Durch das "Skeleton-Tracking" ist es möglich festzustellen, wo die Gelenke einer Person sind und welche Gesten und Bewegungen sie ausführt. Leider ist dieses SDK nur für Windows erhältlich und wir arbeiten daher vor allem mit dem Tiefenbild der Kinect Kamera.

Version 1 und Version 2

Mittlerweile gibt es zwei Versionen der Kinect Kamera: Kinect v1 und Kinect v2. Der wesentliche Unterschied besteht in der Auflösung und der Geschwindigkeit mit welcher die Kameras arbeiten. Hier ein kurzer Vergleich der Spezifikationen:

Version	Kinect v1	Kinect v2
Auflösung RGB	640x480	1920x1080
Framerate	30fps	30fps
Auflösung Tiefenbild	320x240	512x424
Entfernung Auflösung	2048	4500
Maximale Distanz	ca. 450cm	ca. 450cm
Minimale Distanz	ca. 40cm	ca.50 cm
USB Interface	USB 2.0	USB 3.0

Generell ist also vor allem die Auflösung des RGB Bildes und des Tiefenbilds mit der Version 2 verbessert worden. Ein weiterer kleiner Vorteil der v2 besteht darin, dass sie mit einer Stativschraube befestigt werden kann.

Programmierung

Wir verwenden die Library OpenKinect von Daniel Shiffman. Es existiert auch eine Library von Max Rheiner (ehem. Dozent am IAD), leider funktioniert seine SimpleOpenNI Librar nicht mehr mit der neuen Version der Kinect Kamera. Wer jedoch die Möglichkeiten des Selektion-Trackings aufprobieren möchte, dem sei ein Blick in die Beispiele empfohlen.

Zunächst muss die Library, wie alle anderen Bibliotheken in Processing installiert werden. Dies geht am einfachsten über "Sketch > Library importieren ... > Library hinzufügen". In das Suchfeld kann nun "Open Kinect for Processing" eingetragen werden. Ein Klick auf "Install" installiert die Library und die zugehörigen Beispiele.

Um die Library nutzen zu können, muss diese importiert werden:

import org.openkinect.processing.*;

Danach muss eine Referenz auf das Kinect Objekt gesetzt werden:

Kinect2 kinect;

Im setup() wird das Objekt dann initialisiert:

void setup() {
  kinect2 = new Kinect(this);
  kinect2.initDevice();
}

Wird eine Kinect Kamera v1 verwendet, muss die Referenz und Initialisierung entsprechend angepasst werden:

Kinect kinect; // ohne "2"
void setup() {
  kinect = new Kinect(this);
  kinect.initDevice();
}

Sind die obigen Schritte erfolgt kann im Weiteren direkt auf die Informationen der Kinect zugegriffen werden.

Video Bild

Zuerst muss der Video-Stream der Kamera in der setup() Funktion aktiviert werden:

kinect.initVideo();
kinect.initDevice();

Dann kann das aktuelle Bild gelesen werden:

PImage videoImage = kinect.getVideoImage();

Gezeichnet werden kann das Bild mit:

image(videoImage, 0, 0);

Neben dem zeichnen des Bildes in der draw() Funktion, gibt es auch die Möglichkeit, das Bild asynchron zu zeichnen. Das bedeutet, es wird nur dann ein Bild gezeichnet, wenn ein neues vorhanden ist. Die entsprechende Funktion lautet:

void videoEvent(Kinect k) {
  // There has been a video event!
}

Beispiel Expand source

import org.openkinect.processing.*;

Kinect2 kinect;

void setup() {
  size(1920, 1080);

  kinect = new Kinect2(this);
  kinect.initVideo();
  kinect.initDevice();
}

void draw() {
  image(kinect.getVideoImage(), 0, 0);
}

Infrarot Bild

Zuerst muss der Infrarot-Stream der Kamera in der setup() Funktion aktiviert werden:

kinect.initIR();
kinect.initDevice();

Dann kann das aktuelle Bild gelesen werden:

PImage irImage = kinect.getIrImage();

Beispiel Expand source

import org.openkinect.processing.*;

Kinect2 kinect;

void setup() {
  size(512, 424);

  kinect = new Kinect2(this);
  kinect.initIR();
  kinect.initDevice();
}

void draw() {
  image(kinect.getIrImage(), 0, 0);
}

Tiefenbild

Zuerst muss der Tiefenbild-Stream der Kamera in der setup() Funktion aktiviert werden:

kinect.initDepth();
kinect.initDevice();

Um das Tiefenbild als Graustufen zurückzubekommen wird folgendes gemacht:

PImage depthImage = kinect.getDepthImage();

Beispiel Expand source

import org.openkinect.processing.*;

Kinect2 kinect;

void setup() {
  size(512, 424);

  kinect = new Kinect2(this);
  kinect.initDepth();
  kinect.initDevice();
}

void draw() {
  image(kinect.getDepthImage(), 0, 0);
}

Tiefenarray

Der Nachteil des Graustufen-Tiefenbildes ist es, dass alle Entfernungsinformationen auf Werte zwischen 0 bis 255 (Helligkeit) verteilt werden. Tatsächlich kann die Kinect Kamera aber eine viel genauere Auflösung der Tiefeninformationen liefern. Dazu ist es jedoch nötig, das Tiefenarray aufzurufen und auszulesen. Dies geschieht über:

int[] depth = kinect.getRawDepth();

Beispiel Expand source

import org.openkinect.processing.*;
import peasy.*;

Kinect2 kinect;
PeasyCam cam;

void setup() {
  size(1920, 1080, P3D);
  cam = new PeasyCam(this, 1000);
  cam.setMaximumDistance(5000);
  
  kinect = new Kinect2(this);
  kinect.initDepth();
  kinect.initDevice();
}

void draw() {
  background(0);
  
  int[] depthMap = kinect.getRawDepth();
  int stepSize = 2;
  
  for(int x=0; x<kinect.depthWidth; x+=stepSize) {
    for(int y=0; y<kinect.depthHeight; y+=stepSize) {
      int loc = x+y*kinect.depthWidth;
      
      PVector point = depthToPointCloudPos(x, y, depthMap[loc]);
      
      stroke(255);
      point(point.x, point.y, point.z);
    }
  }
}

PVector depthToPointCloudPos(int x, int y, float depthValue) {
  PVector point = new PVector();
  point.z = (depthValue);
  point.x = (x - CameraParams.cx) * point.z / CameraParams.fx;
  point.y = (y - CameraParams.cy) * point.z / CameraParams.fy;
  return point;
}

static class CameraParams {
  static float cx = 254.878f;
  static float cy = 205.395f;
  static float fx = 365.456f;
  static float fy = 365.456f;
  static float k1 = 0.0905474;
  static float k2 = -0.26819;
  static float k3 = 0.0950862;
  static float p1 = 0.0;
  static float p2 = 0.0;
}

Angleichung

Weil bei der Kinect Kamera der Sensor für das RGB Bild und das Titelbild nicht übereinanderliegen stimmen die Positionen in XY Richtung der einen Kamera, nicht mit denen der anderen überein. Um dies zu korrigieren kann ein RGB Bild angefordert werden, welches durch die Library angepasst wird. Dieses Bild bekommt man über:

PImage img = kinect2.getRegisteredImage();

Beispiel Expand source

import org.openkinect.processing.*;

Kinect2 kinect;

void setup() {
  size(512, 424);

  kinect = new Kinect2(this);
  kinect.initRegistered();
  kinect.initDevice();
}

void draw() {
  image(kinect.getRegisteredImage(), 0, 0);
}

Übersicht der Funktionen

Hier eine Übersicht der Funktionen, welche die Library zur Verfügung stellt:

initVideo() — Video Bild initialisieren
initIR() —Infrarot Bild initialisieren
initDepth() — Tiefenbild initialisieren
initDevice() — Gerät initialisieren
PImage getVideoImage() — RGB Bild
PImage getIrImage() — IR Bild
PImage getDepthImage() — Tiefenbild
PImage getRegisteredImage() — Angeglichenes RGB Bild
int[] getRawDepth() — Tiefenarray

Für weitere Informationen: the javadoc reference.

Weitere Beispiele

Kinect Test Expand source

import org.openkinect.processing.*;

Kinect2 kinect;

void setup() {
  size(1024, 848);

  kinect = new Kinect2(this);
  kinect.initVideo();
  kinect.initDepth();
  kinect.initIR();
  kinect.initRegistered();

  kinect.initDevice();
}

void draw() {
  background(0);
  image(kinect.getVideoImage(), 0, 0, kinect.depthWidth, kinect.depthHeight);
  image(kinect.getDepthImage(), kinect.depthWidth, 0);
  image(kinect.getIrImage(), 0, kinect.depthHeight);
  image(kinect.getRegisteredImage(), kinect.depthWidth, kinect.depthHeight);

  fill(255);
  text("Framerate: " + (int)(frameRate), 10, 515);
}

Depth Threshold Expand source

import org.openkinect.processing.*;

Kinect2 kinect;

int lowerThreshold = 0;
int upperThreshold = 750;

void setup() {
  size(512, 424);

  kinect = new Kinect2(this);
  kinect.initDepth();
  kinect.initDevice();
}

void draw() {
  PImage img = kinect.getDepthImage();
  int[] depthMap = kinect.getRawDepth();

  loadPixels();

  for (int x = 0; x < kinect.depthWidth; x++) {
    for (int y = 0; y < kinect.depthHeight; y++) {
      int loc = x+ y * kinect.depthWidth;
      int rawDepth = depthMap[loc];
      
      if (rawDepth > lowerThreshold && rawDepth < upperThreshold) {
        pixels[loc] = color(150, 50, 50);
      } else {
        pixels[loc] = img.pixels[loc];
      }
    }
  }

  updatePixels();
}

Background Removal and mass centre Expand source

import org.openkinect.processing.*;
Kinect2 kinect;
int[] depthMapRef; 
int[] depthMap;
int Threshold = 30;
int depthlength;

// Raw location
PVector loc = new PVector(0, 0);
// Interpolated location
PVector lerpedLoc = new PVector(0, 0);

// Depth data
int[] depth;

void setup() {
  size(640, 520);
  depthlength = 640*480;
  kinect = new Kinect2(this);
  kinect.initDepth();
  kinect.initDevice();
  depthMapRef = new int[depthlength];
}


void draw() {

  float sumX = 0;
  float sumZ = 0;
  float sumY = 0;
  float count = 0;

  fill(255, 255, 255, 1);
  rect(0, 0, width, height);
  PImage img = kinect.getDepthImage();
  depthMap = kinect.getRawDepth();
  
   if (depthMapRef == null) {
      arrayCopy(depthMap, depthMapRef);
  }
  
  img.loadPixels();
  for (int x = 0; x < kinect.depthWidth; x++) {
    for (int y = 0; y < kinect.depthHeight; y++) {
      int loc = x+ y * kinect.depthWidth;
      int difference = abs(depthMap[loc]-depthMapRef[loc]);
      if ( difference  > Threshold) {
        sumX += x;
        sumY += y;
        sumZ += depthMap[loc];
        count++;
        img.pixels[loc] = color(150, 50, 50);
      } else {
        img.pixels[loc] = img.pixels[loc];
      }
    }
  }


  img.updatePixels();
  image(img, 0, 0);
  // find the average location of the "body mass" 
  if (count != 0) {
    loc = new PVector(sumX/count, sumY/count, sumZ/count);
  }
  // Interpolating the location with lerp for a smoother animation
  lerpedLoc.x = PApplet.lerp(lerpedLoc.x, loc.x, 0.3f);
  lerpedLoc.y = PApplet.lerp(lerpedLoc.y, loc.y, 0.3f);
  lerpedLoc.z = PApplet.lerp(lerpedLoc.z, loc.z, 0.3f);
  fill(255);
  text("depth:" +lerpedLoc.z+"", lerpedLoc.x+5, lerpedLoc.y);
  ellipse(lerpedLoc.x, lerpedLoc.y, 5, 5);
}



void mousePressed() {
  background(255);
  arrayCopy(depthMap, depthMapRef);
}