Kinect传感器的硬件组成

1.3.1　Kinect的结构组成

《Kinect人机交互开发实践》第1章Kinect简介，本章将介绍Kinect的基本概念及其发展历程，并简要剖析其结构功能以及体感交互技术的原理。最后还会对Kinect for Windows的应用领域进行概览和展望。本节为大家介绍Kinect的结构组成。

1.3　Kinect体感交互技术原理

初看Kinect，你或许只看到了3个小摄像头，那么Kinect究竟是怎样实现体感交互的呢？Kinect for Windows SDK又有哪些基本功能呢？本节将揭开Kinect在硬件、软件方面的神秘面纱。

1.3.1　Kinect的结构组成

图1-2给出了Kinect的整体结构。Kinect一共有3个摄像头，中间一个是RGB摄像头，用来获取640×480的彩色图像，每秒钟最多获取30帧图像；两边的是两个深度传感器，左侧的是红外线发射器，右侧的是红外线接收器，用来检测玩家的相对位置。Kinect的两侧是一组四元麦克风阵列，用于声源定位和语音识别；下方还有一个带内置马达的底座，可以调整俯仰角。

（点击查看大图）图1-2　Kinect硬件结构

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如果打开Kinect传感器的外壳（通常建议不这么做），你会发现一个结构复杂的设备，其中包含很多的感应器元件和处理芯片。事实上，内部传感器栏上甚至有一个小风扇，用于冷却所有的电子器件。

相对而言，Kinect是比较容易拆卸的，如图2-4所示。Kinect的电子芯片很多都采用非焊组装的方式，如果你能得到备换的零件，修复率应该会很高。

如图2-5所示，除了语音指令和体感操作指令外，Kinect没有其他形式的用户输入，其输入系统的关键是由麦克风和摄像头组成的感应器系统。

如图2-6所示，Kinect内部的确比想象中要复杂得多，其主板并非标准的单板压模工艺，而是分拆为成三个独立的部分，并且配有专用冷却风扇。

PrimeSense技术是微软Kinect传感器系统的基础。最初，该传感器被设计为与微软Xbox 360控制台游戏系统的自然人机交互输入。它的工作原理容易理解，但执行过程相当复杂。PS1080系统级芯片（SoC）则是一款完美支持PrimeSense技术的产品，可以将其理解为Kinect的“心脏”。

从外观上看，Kinect也有三只“眼睛”，它们自左向右分别是红外投影机、彩色摄像头、红外深度投影头。此外，Kinect还暗藏着四只“耳朵”—L形布局的麦克风阵列。

PS1080这款芯片独立地管理音频和视频信息，这些信息都可以通过USB接口进行访问。USB仅为PrimeSense单元提供电源，Kinect还需要额外的电源供给它的伺服系统。

以下是Kinect的组件的完整列表：

外壳、底座及4个不同类型的螺钉；

Moving Touch传动马达电动机（用于仰角控制）；

散热风扇；

彩色摄像头；

红外摄像头；

红外投影机；

麦克风阵列（4个）；

3部分主板；

14种关键芯片。

注意　核心的Primesense芯片来自以色列、存储芯片来自韩国三星，部分零配件来自中国台湾。Kinect和Xbox 360一样，都是在中国广东组装制造。

对Kinect的核心芯片描述的摘要如下：

Wolfson Stereo ADC with microphone preamp（立体声ADC与麦克风前置放大器）；

Fairchild N-Channel PowerTrench MOSFET；

NEC USB 2.0 hub controller（USB 2.0集线器控制器）；

Unidentified SAP package chip；

Camera interface controller（摄像头控制芯片）；

Hynix 512Mb DDR2 SDRAM；

Analog Devices CMOS Rail-to-Rail Output Operational Amplifier（CMOS运算放大器）；

TI 8-bit, 8-channel Sampling A/D converter；

Allegro low voltage stepper and single/dual motor driver（低功率步进器和单/双直流电动机驱动器）；

ST 8Mbit NV flash memory（8MB闪存）；

Marvell SoC camera interface controllerAP102（附带摄像头接口控制器的SoC）；

PrimeSense PS1080 image sensor processor（SoC成像传感器处理器，PrimeSense的核心芯片）；

TI USB audio controller　（音频控制器）；

KionixKXSD9 accelerometer　（三轴加速度，测量是否水平，计算偏移用于补偿）。

你可以从网络上搜索到关于Kinect硬件拆解的相关文章。

Kinect的关键部件如图2-7所示。

图2-7所示Kinect关键部件及说明如下：

1）麦克风阵列：声音从4个麦克风采集，同时过滤背景噪声，可定位声源。

2）红外投影机：主动投射近红外光谱，照射到粗糙物体、或是穿透毛玻璃后，光谱发生扭曲，会形成随机的反射斑点（称为散斑），进而能被红外摄像头读取。

3）红外摄像头：分析红外光谱，创建可视范围内的人体、物体的深度图像。

4）仰角控制马达：可编程控制仰角的马达，用于获取最佳视角。

5）USB线缆：支持USB 2.0接口，用于传输彩色视频流、深度流、音频流等。必须使用外部电源，传感器才能充分发挥其功能。（Kinect的功率达到了12W，而普通USB一般是2.5W。）

6）彩色摄像头：用于拍摄视角范围内的彩色视频图像。

接下来，分别从控制芯片、红外投影、视频输入、音频输入、姿态控制调整等方面来分析Kinect硬件的内部结构。