2026-04-22 16:46:47 +08:00
2026-04-22 15:12:17 +08:00
2026-04-22 15:12:17 +08:00
a
2026-04-22 11:35:36 +08:00
v
2026-04-22 16:46:47 +08:00
vs
2026-04-22 16:29:28 +08:00
2026-04-21 20:42:56 +08:00

Orbbec 数据采集 & D2C 对齐工具

基于 PyQt5 的奥比中光相机数据采集与深度图软件对齐一体化工具。支持实时预览、一键拍照、批量 D2C 转换,并提供两种 D2C 算法(正向投影 / 逆向投影)供选择。


功能特点

功能 说明
数据采集 实时预览 RGB + 深度伪彩图,支持 D2C 预览切换;一键拍照保存多模态数据
批量 D2C 对 Orbbec Viewer 导出的深度图批量软件对齐,无需连接相机
双算法支持 正向投影 + Splat 填充 / 逆向投影(SDK 同等),可实时切换预览
自动参数获取 从相机实时提取内外参,自动保存为 JSON
热插拔监听 设备拔出即时 Toast 提示;设备插入后自动加载设备列表
分辨率自适应 支持字体缩放(0.8× ~ 2.0×),适配不同 DPI 屏幕

环境依赖

包 版本
Python 3.8 ~ 3.13
pyorbbecsdk 2.x
numpy —
opencv-python —
PyQt5 —
pip install numpy opencv-python PyQt5

安装 pyorbbecsdk

官方文档:https://orbbec.github.io/pyorbbecsdk/source/2_installation/install_the_package.html

pip install pyorbbecsdk2

设备驱动配置

Windows(管理员 PowerShell):

Set-ExecutionPolicy -ExecutionPolicy RemoteSigned -Scope CurrentUser
.\obsensor_metadata_win10.ps1 -op install_all

Linux:

cd pyorbbecsdk/scripts/env_setup
sudo chmod +x ./install_udev_rules.sh
sudo ./install_udev_rules.sh
sudo udevadm control --reload && sudo udevadm trigger

文件说明

文件 说明
main.py GUI 主程序(数据采集 + D2C 批量转换)
d2c_batch.py 命令行 D2C 批量转换工具(可独立使用)
utils.py SDK 辅助函数(帧格式转换等)
camera_params.json 相机参数缓存(自动生成,可复用)

GUI 使用方法

python main.py

标签页一:数据采集

  1. 加载设备:点击获取相机支持的 RGB / Depth 分辨率列表
  2. 流配置:选择 RGB 分辨率、Depth 分辨率、Preset(可选)
  3. 保存目录 & 采集内容:
    • 设置根目录和子目录名称,点击「创建 / 载入」
    • 勾选需要采集的数据类型(RGB、Depth、Depth D2C、IR、点云等)
    • 选择 D2C 方式:
      • 逆向投影(SDK 同等):使用 SDK AlignFilter,速度快,无空洞
      • 正向投影 + Splat:纯软件实现,支持 Splat 邻域扩散(关闭 / 3×3 / 5×5 / 7×7)
  4. 预览:勾选「D2C 预览」可实时查看对齐效果,切换 D2C 方式预览即时更新
  5. 拍照:点击「拍照」或按快捷键 S,数据自动保存到指定目录

标签页二:Orbbec Viewer 深度图 D2C

  1. 加载设备并选择 RGB / Depth 分辨率,点击「从设备获取参数」
    • 或手动选择已有的 camera_params.json
  2. 选择深度图目录:包含 PNG 深度图的文件夹
  3. 选择转换方式:
    • 正向投影 + Splat(默认)
    • 逆向投影(SDK 同等)
  4. 设置 Splat 大小(正向投影时可用)
  5. 点击「开始批量 D2C 转换」

命令行使用方法(d2c_batch.py)

python d2c_batch.py            # 完整流程:选配置 → 获取参数 → 批量转换
python d2c_batch.py --params   # 仅获取相机参数
python d2c_batch.py --convert  # 仅批量转换(使用已有 camera_params.json)

D2C 原理详解

本工具提供两种 D2C(Depth-to-Color)对齐算法,核心差异在于投影方向。

1. 正向投影(Forward Projection)+ Splat

思路:从深度图每个像素出发,反投影到 3D 空间,经外参变换后投影到彩色图平面。

深度像素 (u_d, v_d, Z)
    ↓  Brown-Conrady 畸变校正 + 反投影
3D 点(深度相机坐标系)[X, Y, Z]
    ↓  外参旋转 R + 平移 t
3D 点(彩色相机坐标系)[X_c, Y_c, Z_c]
    ↓  彩色内参投影
彩色像素 (u_c, v_c)  → 写入对齐深度图

间隙问题:每个深度像素只写入彩色平面的单个像素。由于视角差异,相邻深度像素投影后会出现跳跃,留下空洞(离散小方块)。

Splat 修复:对每个投影后的像素,同时写入以其为中心的 N×N 邻域,远→近顺序遍历保证遮挡正确。

def software_d2c(depth_img, params, splat_radius=1):
    depth_intr = params["depth"]["intrinsic"]
    depth_dist = params["depth"]["distortion"]
    color_intr = params["color"]["intrinsic"]
    ext = params["extrinsic"]

    color_w, color_h = color_intr["width"], color_intr["height"]
    fx_c, fy_c = color_intr["fx"], color_intr["fy"]
    cx_c, cy_c = color_intr["cx"], color_intr["cy"]
    dh, dw = depth_img.shape
    depth_scale = params["depth"]["scale"]

    # 1. 像素网格
    u_d, v_d = np.meshgrid(np.arange(dw, dtype=np.float32),
                           np.arange(dh, dtype=np.float32))

    # 2. 深度值(mm)
    Z = depth_img.astype(np.float32) * depth_scale
    valid = Z > 0

    # 3. 去畸变 + 反投影到深度相机 3D 空间
    x_u, y_u = _undistort_points(u_d, v_d, depth_intr, depth_dist)
    X = x_u * Z
    Y = y_u * Z

    # 4. 外参变换:深度相机 → 彩色相机
    R = np.asarray(ext["rot"], dtype=np.float64).reshape(3, 3)
    t = np.asarray(ext["transform"], dtype=np.float64)
    pts = np.stack([X.ravel(), Y.ravel(), Z.ravel()], axis=0)
    pts_c = R @ pts + t[:, np.newaxis]

    Xc = pts_c[0].reshape(dh, dw).astype(np.float32)
    Yc = pts_c[1].reshape(dh, dw).astype(np.float32)
    Zc = pts_c[2].reshape(dh, dw).astype(np.float32)

    # 5. 投影到彩色图平面
    valid_c = valid & (Zc > 0)
    u_c = np.where(valid_c, fx_c * Xc / Zc + cx_c, -1.0)
    v_c = np.where(valid_c, fy_c * Yc / Zc + cy_c, -1.0)
    u_ci = np.round(u_c).astype(np.int32)
    v_ci = np.round(v_c).astype(np.int32)

    in_bounds = (u_ci >= 0) & (u_ci < color_w) & (v_ci >= 0) & (v_ci < color_h)
    mask = valid_c & in_bounds

    u_vals = u_ci[mask]
    v_vals = v_ci[mask]
    z_vals = depth_img[mask]

    # 6. 远→近排序,近处覆盖远处
    order = np.argsort(z_vals)[::-1]
    u_vals = u_vals[order]
    v_vals = v_vals[order]
    z_vals = z_vals[order]

    aligned = np.zeros((color_h, color_w), dtype=np.uint16)

    # 7. Splat 填充(N×N 邻域扩散)
    if splat_radius > 0:
        for dv in range(-splat_radius, splat_radius + 1):
            for du in range(-splat_radius, splat_radius + 1):
                us = np.clip(u_vals + du, 0, color_w - 1)
                vs = np.clip(v_vals + dv, 0, color_h - 1)
                aligned[vs, us] = z_vals
    else:
        aligned[v_vals, u_vals] = z_vals

    return aligned
特点 说明
优点 直观、可控制 Splat 大小、适合理解投影原理
缺点 正向映射天然有间隙,必须配合 Splat;计算量较大
适用 对空洞容忍度有要求的场景、教学/算法验证

2. 逆向投影(Inverse Projection)

思路:遍历彩色图每个像素,反投影为射线,变换到深度相机空间后采样深度图。输出天生 dense,无正向映射空洞。

彩色像素 (u_c, v_c)
    ↓  彩色内参反投影
射线方向(彩色相机坐标系)[xn, yn, 1]
    ↓  外参逆变换 R^T
射线方向(深度相机坐标系)[ax, ay, az]
    ↓  结合深度图估计 Z_c
深度相机像素 (u_d, v_d)  → 采样深度值

采用双 Pass 策略:

  • Pass 0:仅旋转(忽略平移),粗略估计深度坐标
  • Pass 1:用 Pass 0 的估计值进行完整的 R/t 变换,精确采样
def software_d2c_inv(depth_img, params):
    depth_intr = params["depth"]["intrinsic"]
    color_intr = params["color"]["intrinsic"]
    ext = params["extrinsic"]
    depth_scale = params["depth"]["scale"]

    color_w, color_h = color_intr["width"], color_intr["height"]
    fx_d, fy_d = depth_intr["fx"], depth_intr["fy"]
    cx_d, cy_d = depth_intr["cx"], depth_intr["cy"]
    fx_c, fy_c = color_intr["fx"], color_intr["fy"]
    cx_c, cy_c = color_intr["cx"], color_intr["cy"]

    R = np.array(ext["rot"], dtype=np.float64).reshape(3, 3)
    t = np.array(ext["transform"], dtype=np.float64)
    R_inv = R.T
    b = R_inv @ t

    # 1. 彩色像素网格
    uc, vc = np.meshgrid(np.arange(color_w, dtype=np.float32),
                         np.arange(color_h, dtype=np.float32))
    xn_c = (uc - cx_c) / fx_c
    yn_c = (vc - cy_c) / fy_c

    # 2. 射线方向变换到深度相机空间
    N = color_w * color_h
    dirs = np.stack([xn_c.ravel(), yn_c.ravel(), np.ones(N, np.float32)], axis=0)
    dirs_d = (R_inv @ dirs.astype(np.float64)).astype(np.float32)
    ax = dirs_d[0].reshape(color_h, color_w)
    ay = dirs_d[1].reshape(color_h, color_w)
    az = dirs_d[2].reshape(color_h, color_w)

    depth_f32 = depth_img.astype(np.float32)
    az_safe = np.where(az > 1e-6, az, 1.0)

    # Pass 0:旋转-only 粗略估计
    m0_u = (fx_d * ax / az_safe + cx_d).astype(np.float32)
    m0_v = (fy_d * ay / az_safe + cy_d).astype(np.float32)
    Z_d0 = cv2.remap(depth_f32, m0_u, m0_v,
                     cv2.INTER_NEAREST,
                     borderMode=cv2.BORDER_CONSTANT, borderValue=0)

    # 估计 Z_c(mm)
    bx, by, bz = float(b[0]), float(b[1]), float(b[2])
    Z_c_mm = np.where(az_safe > 1e-6,
                      (Z_d0 * depth_scale + bz) / az_safe,
                      0.0).astype(np.float32)

    # Pass 1:完整变换精确采样
    X_d = Z_c_mm * ax - bx
    Y_d = Z_c_mm * ay - by
    Z_d = Z_c_mm * az - bz

    Z_d_safe = np.where(Z_d > 1e-6, Z_d, 1.0)
    m1_u = (fx_d * X_d / Z_d_safe + cx_d).astype(np.float32)
    m1_v = (fy_d * Y_d / Z_d_safe + cy_d).astype(np.float32)

    valid = (Z_d0 > 0) & (az > 1e-6) & (Z_d > 1e-6)
    m1_u = np.where(valid, m1_u, -1.0)
    m1_v = np.where(valid, m1_v, -1.0)

    aligned = cv2.remap(depth_f32, m1_u, m1_v,
                        cv2.INTER_NEAREST,
                        borderMode=cv2.BORDER_CONSTANT, borderValue=0)
    return aligned.astype(np.uint16)
特点 说明
优点 输出天生 dense 无空洞;与 SDK AlignFilter 算法等价;速度快
缺点 原理较抽象;需要深度图配合估计 Z_c
适用 生产环境、实时预览、对空洞零容忍的场景

两种方法对比

维度 正向投影 + Splat 逆向投影
投影方向 深度 → 彩色 彩色 → 深度
空洞 有(需 Splat 修复) 无
速度 较慢(numpy 密集计算) 较快(cv2.remap 向量化)
与 SDK 一致性 独立实现 与 AlignFilter 等价
Splat 可调 ✓ 支持(关闭/3×3/5×5/7×7) ✗ 不需要

camera_params.json 格式

{
  "color": {
    "width": 1920, "height": 1080, "fps": 30, "format": "MJPG",
    "intrinsic": { "fx": 1382.5, "fy": 1382.5, "cx": 959.8, "cy": 539.4, "width": 1920, "height": 1080 },
    "distortion": { "k1": -0.055, "k2": 0.071, "k3": 0.0, "k4": 0.0, "k5": 0.0, "k6": 0.0, "p1": 0.0, "p2": 0.0 }
  },
  "depth": {
    "width": 640, "height": 400, "fps": 30, "format": "Y16",
    "scale": 0.001,
    "intrinsic": { "fx": 424.0, "fy": 424.0, "cx": 319.5, "cy": 199.5, "width": 640, "height": 400 },
    "distortion": { "k1": 0.0, ... }
  },
  "extrinsic": {
    "rot": [1,0,0, 0,1,0, 0,0,1],
    "transform": [-14.82, 0.12, 0.03]
  }
}

extrinsic.rot 为行优先展平的 3×3 旋转矩阵,extrinsic.transform 为平移向量(单位 mm),方向为深度相机坐标系 → 彩色相机坐标系。


输入 / 输出格式

项目 说明
输入深度图 PNG,uint16,单位为传感器原始单位(乘以 depth_scale 得 mm)
输出对齐深度图 PNG,uint16,单位与输入相同,分辨率与所选 RGB 配置一致
输出伪彩图 PNG,uint8 BGR,JET colormap,无效像素为纯黑

注意事项

  • 获取相机参数时需要相机实际连接;批量转换时不需要。
  • 更换相机或修改分辨率后需重新获取参数。
  • 输入深度图分辨率须与获取参数时选择的 Depth 分辨率一致。
  • 对齐深度图的有效区域受深度传感器视场角限制,彩色图边缘区域可能无深度值(值为 0)。
  • 正向投影实时预览帧率较低(纯 numpy 计算),建议确认效果后切回逆向投影保持预览流畅。
S
Description
No description provided
Readme
685 KiB
Languages
Python 100%