深度相機,雙目測距法,三維結構光
作者:管理員    發布于:2018-12-29 16:37:29    文字:【】【】【
摘要: 深度相機主要包括3種形式,包括雙目測距法,三維結構光和TOF飛行時間法。目前看來比較有前途的是三維結構光和TOF飛行時間法。iPhone 手機中應用的技術總能帶動新的行業風潮。2017年9月13日,蘋果推出了基于3D結構光技術的iPhone X,實現了3D人臉識别,并以面部識别徹底取代了指紋識别。

      深度相機主要包括3種形式,包括雙目測距法,三維結構光和TOF飛行時間法。目前看來比較有前途的是三維結構光和TOF飛行時間法。

iPhone 手機中應用的技術總能帶動新的行業風潮。2017913日,蘋果推出了基于3D結構光技術的iPhone X,實現了3D人臉識别,并以面部識别徹底取代了指紋識别。近日,據消息,蘋果公司目前正在嘗試在 iPhone 背面添加一個使用 TOFTime of Flight)技術的 3D 傳感器。事實上,OPPO、華為、小米等國内廠商也先後布局了飛行時間技術在手機上的應用,并推出相關産品。VIVO更在20173月,就開始在内部同時跟進結構光與TOF 這兩項3D技術。

 

TOF技術有哪些應用和場景呢?

事實上,TOF 技術早已在物流、安防、醫療以及無人駕駛等領域得到應用。目前,各大手機廠商也非常看好TOF飛行時間技術的前景,紛紛進行布局,如OPPOvivo已推出搭載該技術的新産品,華為、小米都已傳出相關消息,三星也預計2019年将在新的Galaxy S10 Galaxy A系列的智能手機上采用TOF 3D面部識别技術。其實三星早在2014年就申請了相關專利,輔以近紅外光,傳統攝像頭以及傳感器等組件,可用于人臉的3D感知探測,運動追蹤,手勢檢測,眼球追蹤以及夜景識别等。蘋果預計在2019年推出的新款iPhone上也采用TOF系統,并将其安裝在後置攝像頭上。

 

vivo NEX雙屏版

 

在制作影視特效時,TOF相機可以将深度信息附加在視頻圖像中,精确确定場景中每個像素的空間位置。通過簡單的後期處理,就能将特效道具插入影片的任何位置。可以預見,以全球消費電子産品的需求來說,手機行業采用TOF技術,将帶動其技術及産品相關的大批需求,帶動整個産業鍊的增長。

 

TOF 3D傳感技術是什麼? 與之間前使用的識别技術有何區别?

要講清楚TOF三維傳感技術這個技術,我們要先從人臉識别說起。二維的人臉識别技術,存在一些缺點,如對識别環境要求苛刻、容易被攻破的安全因素等,因此3D立體視覺體驗技術在應用上更勝一籌,可廣泛應用在物聯網、移動互聯網、VR/AR、銀行、安防、交通等各個需要人臉識别的場景。

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3D立體視覺體驗技術包含雙目立體視覺方案、3D結構光方案和TOF技術,其中以結構光和TOF技術為大家所熟識。

 

雙目測距:利用雙攝像頭拍攝物體,再通過三角形原理計算物體距離。

 

雙目相機

雙目相機确定深度示意圖

TOF技術

TOFTime of Flight),直譯為飛行時間法。它的工作原理是通過給被測目标連續發送光脈沖,然後在傳感器端接收從物體返回的光信号,最後通過計算發射和接收光信号的飛行(往返)時間來得到被測目标的距離。

與超聲波測距不同的是超聲波測距對反射物體要求比較高,面積小的物體,如線、錐形物體就基本測不到,而TOF對被測物體要求的尺寸、面積等要求更低,測距精度高、測距遠、響應快。

 

由上圖可以看到,與3D結構光相比,TOF技術發射的不是散斑,而是面光源,因此在一定距離内,TOF的光信息不會出現大量的衰減。其優勢在于工作距離更遠,适用于手機後置鏡頭。

事實上,無人駕駛中的激光雷達中也可以用到TOF技術,而用于消費型電子産品中的TOF相機主要由光源、感光芯片、鏡頭、傳感器、驅動控制電路以及處理電路等幾部分關鍵單元組成,TOF相機包括發射照明模塊和感光接收模塊兩個核心部分。

 

3D結構光(三維結構光)

3D結構光技術是通過近紅外激光器,将具有一定結構特征的光線投射到被攝物體上,再由專門的紅外攝像頭進行采集。這種具備一定結構的光線,會因被攝物體的不同深度區域,而采集不同的圖像相位信息,然後通過運算單元将這種結構的變化換算成深度信息,獲得三維結構。

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TrueDepth 采用的就是結構光技術,即一種光解碼技術,将光線結構化,将光線投射到物體上,形成畸變,然後另一個攝像機對畸變進行捕捉,通過三角法測量原理獲得三維成像,結構光方案功耗低、精度高,對于近距離人臉識别來說,具備應用優勢。

 

 

TOF的技術原理帶來應用優勢

1. iPhone X 的“齊劉海”,即前置 3D成像TrueDepth 傳感系統的外觀受到了用戶的吐槽。這是由于結構光的精度和Baseline(投射器和接收模組的距離)密切相關,Baseline間隔越長,精度就越高。常用的Baseline至少需要保證20 mm以上,iPhoneX選擇了27 mmBaseline,“長劉海”也是不得不留。

而對于TOF來說,則不必擔心手機設計上的局限,其投射模塊和接收模組可緊靠在一起,尺寸上更加緊湊。

 

2. 3D結構光方案帶火了VCSEL,由于結構光對編碼圖案有一定要求,需要制作成特定的圖案,對圖案表現的一緻性、器件高溫漂移情況、發熱表現、耐環境高溫等都有更高的要求,因此對VCSEL供應商的工藝、設計能力以及産品良率上考驗很大。

TOF投射器主要包括VCSEL+Diffuser(勻化片,工程擴散片),而TOFVCSEL并不像結構光那樣對編碼圖案有一定要求,隻是最常規的規則排列,器件制作上更為簡單,裝配精度要求也更低,将會擴大VCSEL供應商的範圍并降低成本。

 

3. 3D傳感模塊等關鍵零件的高難度制程影響了其産能,主要在于結構光模組的産品良率較低。這與結構光的工作原理,通過三角測量法來計算深度信息相關。

TOF的工作原理不同,是通過TOF芯片接收反射回來光線的相位差來計算深度,隻需确保相位接收正确,對組裝精度要求更低,生産更加容易,不會受到産能限制。

 

4. 相比于二維圖像,TOF可以通過計算距離信息來獲取物體之間更加豐富的位置關系,區分前景與後景。進一步深化處理後,可應用在3D建模、AR遊戲、AR應用、體感遊戲、網上AR購物試穿戴等場景。

 

5.相較于3D結構光技術,飛行時間法TOF的成本相對低廉,具備在Z方向更加精準,解決方案更加成熟、功耗更低、抗幹擾能力強等優點,且無需掃描設備輔助。

 

 

 

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