Glidar: 一个基于OpenGL的开源实时3D传感器仿真器

1 简介

　　这篇博文将介绍一个简单易用的3D传感器仿真器，可以用来模拟Lidars，立体视觉，基于时间飞行技术的ToF相机和微软的Kinect实时产生3D点云数据。Glidar仿真器并不是针对特定的某一类3D传感器，它几乎可以用来替代目前任何一种市面上的深度传感器。通过导入的目标的三维模型，实时地产生目标的3D点云数据，并可以将生成的点云数据保存，可视化，或者发布的一个传输控制协议TCP的套接字。如果有对于复杂动力学场景的需求，还可以通过TCP连接实现物理仿真。

　　　　　　

Fig.1  Glidar 生成点云效果

　　Glidar仿真器是基于C++开发的，并利用了PC中的图形渲染管线实时地产生目标模型所对应的点云数据。GL Shading Language的使用保证了点云输出的速度，几乎可以作为任务点云处理算法提供输入数据。图1展示了使用Glidar产生的模拟点云的具体效果图，Glidar使用绿色和蓝色通道来储存深度信息，通过对目标模型可视化表面采样后输出模型点云。

2 实现原理

　　Glidar仿真器的设计中舍去了颜色信息，使用红色通道保存图像强度信息，绿色和蓝色通道保存深度信息，其中深度z的方向默认沿着相机视轴的方向。出于MacBook Air上图像架构的标准深度缓存不能轻易用于自定义的原因，放弃了使用深度缓存来保存深度信息。使用颜色缓存来存储深度信息可以直接指定精度的分布。Glidar对OpenGL中标准的管线进行了两处关键改进：1）关闭反锯齿功能，因为反锯齿功能会改变存储在绿色和蓝色通道内的深度信息；2）开启了双缓冲区（在粗略的模拟一个扫描型雷达的时候，该功能也许可以被关闭）。

2.1 可编程的渲染管线

　　基本的绘制对象如点，直线和多边形都可以用一系列的顶点进行定义，但是图形硬件必须提供逐像素的输出。渲染被划分成多个通道进行，最不常用的操作（如最原始的分组）被先执行。逐个原始分组的输出被顶点着色器并行处理。顶点着色器输出再被组装成基本单元以便栅格化。最终顶点着色器的输出被插值到使用逐个像素基的片段着色器，在片段着色器里，完成每个像素的颜色，纹理和深度信息的计算。值得注意的是GPU并行地计算每个顶点，然后并行地计算每个片段。

2.2 片段着色器

　　一个标准的片段着色器计算每个像素的颜色和透明度。这样的片段着色器将对每个片段输出四个值：R,G,B,alpha所对应的归一化的强度值. 作为对比，Glidar里的片段着色器仅仅输出红色通道值，利用绿色和蓝色通道提供深度z信息(即向量 投影到瞄准线方向的长度)，alpha值目前没有分配相关值。

　　片段i对应的衰减可以使用标准的OpenGL光照模型计算：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

其中，为片段-传感器距离，和分别对应光源的常量，线性，和二次方衰减系数。

　　片段i的红色强度

是衰减和颜色c_i的积，其中

　　　　　　　　　　　　　　

上式中为被采样片段的表面法向量，和分别表示扩散，环境，镜面反射颜色信息。材料的反射度用s表示，OpenGL里面允许的s 的取值范围为[0, 128].

　　Glidar将深度信息分为两部分存储在绿色和蓝色通道里：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　其中，距离比D_i定义为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

上式中f 和n分别表示近远平面。

2.3 改善深度信息精度的策略

　　在一个标准的OpenGL着色器里，距离相机越近，对应的精度越高。这个机制对于2D渲染和生成点云数据非常有用。提升深度信息的举措主要分为两个方面：

1）使用绿色和蓝色通道存储深度信息；2）调整近平面和远平面使得目标尽可能地填充整个视野。

3 安装测试

　　目前Glidar已经在Ubuntu Linux 系统和Mac OSX上完成了测试，需要图形显卡支持GLSL1.2或更高版本。下篇博客将会对Glidar的详细安装过程进行说明。