深度相机,双目测距法,三维结构光
作者:管理员    发布于:2018-12-29 16:37:29    文字:【】【】【
摘要: 深度相机主要包括3种形式,包括双目测距法,三维结构光和TOF飞行时间法。目前看来比较有前途的是三维结构光和TOF飞行时间法。iPhone 手机中应用的技术总能带动新的行业风潮。2017年9月13日,苹果推出了基于3D结构光技术的iPhone X,实现了3D人脸识别,并以面部识别彻底取代了指纹识别。

      深度相机主要包括3种形式,包括双目测距法,三维结构光和TOF飞行时间法。目前看来比较有前途的是三维结构光和TOF飞行时间法。

iPhone 手机中应用的技术总能带动新的行业风潮。2017913日,苹果推出了基于3D结构光技术的iPhone X,实现了3D人脸识别,并以面部识别彻底取代了指纹识别。近日,据消息,苹果公司目前正在尝试在 iPhone 背面添加一个使用 TOFTime of Flight)技术的 3D 传感器。事实上,OPPO、华为、小米等国内厂商也先后布局了飞行时间技术在手机上的应用,并推出相关产品。VIVO更在20173月,就开始在内部同时跟进结构光与TOF 这两项3D技术。

 

TOF技术有哪些应用和场景呢?

事实上,TOF 技术早已在物流、安防、医疗以及无人驾驶等领域得到应用。目前,各大手机厂商也非常看好TOF飞行时间技术的前景,纷纷进行布局,如OPPOvivo已推出搭载该技术的新产品,华为、小米都已传出相关消息,三星也预计2019年将在新的Galaxy S10 Galaxy A系列的智能手机上采用TOF 3D面部识别技术。其实三星早在2014年就申请了相关专利,辅以近红外光,传统摄像头以及传感器等组件,可用于人脸的3D感知探测,运动追踪,手势检测,眼球追踪以及夜景识别等。苹果预计在2019年推出的新款iPhone上也采用TOF系统,并将其安装在后置摄像头上。

 

vivo NEX双屏版

 

在制作影视特效时,TOF相机可以将深度信息附加在视频图像中,精确确定场景中每个像素的空间位置。通过简单的后期处理,就能将特效道具插入影片的任何位置。可以预见,以全球消费电子产品的需求来说,手机行业采用TOF技术,将带动其技术及产品相关的大批需求,带动整个产业链的增长。

 

TOF 3D传感技术是什么? 与之间前使用的识别技术有何区别?

要讲清楚TOF三维传感技术这个技术,我们要先从人脸识别说起。二维的人脸识别技术,存在一些缺点,如对识别环境要求苛刻、容易被攻破的安全因素等,因此3D立体视觉体验技术在应用上更胜一筹,可广泛应用在物联网、移动互联网、VR/AR、银行、安防、交通等各个需要人脸识别的场景。

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3D立体视觉体验技术包含双目立体视觉方案、3D结构光方案和TOF技术,其中以结构光和TOF技术为大家所熟识。

 

双目测距:利用双摄像头拍摄物体,再通过三角形原理计算物体距离。

 

双目相机

双目相机确定深度示意图

TOF技术

TOFTime of Flight),直译为飞行时间法。它的工作原理是通过给被测目标连续发送光脉冲,然后在传感器端接收从物体返回的光信号,最后通过计算发射和接收光信号的飞行(往返)时间来得到被测目标的距离。

与超声波测距不同的是超声波测距对反射物体要求比较高,面积小的物体,如线、锥形物体就基本测不到,而TOF对被测物体要求的尺寸、面积等要求更低,测距精度高、测距远、响应快。

 

由上图可以看到,与3D结构光相比,TOF技术发射的不是散斑,而是面光源,因此在一定距离内,TOF的光信息不会出现大量的衰减。其优势在于工作距离更远,适用于手机后置镜头。

事实上,无人驾驶中的激光雷达中也可以用到TOF技术,而用于消费型电子产品中的TOF相机主要由光源、感光芯片、镜头、传感器、驱动控制电路以及处理电路等几部分关键单元组成,TOF相机包括发射照明模块和感光接收模块两个核心部分。

 

3D结构光(三维结构光)

3D结构光技术是通过近红外激光器,将具有一定结构特征的光线投射到被摄物体上,再由专门的红外摄像头进行采集。这种具备一定结构的光线,会因被摄物体的不同深度区域,而采集不同的图像相位信息,然后通过运算单元将这种结构的变化换算成深度信息,获得三维结构。

此前,IPhone X 的前置 3D成像TrueDepth 传感系统(“齐刘海”)让手机可实现脸部解锁,并实现对面部表情的实时跟踪和识别,生成 Animojis

TrueDepth 采用的就是结构光技术,即一种光解码技术,将光线结构化,将光线投射到物体上,形成畸变,然后另一个摄像机对畸变进行捕捉,通过三角法测量原理获得三维成像,结构光方案功耗低、精度高,对于近距离人脸识别来说,具备应用优势。

 

 

TOF的技术原理带来应用优势

1. iPhone X 的“齐刘海”,即前置 3D成像TrueDepth 传感系统的外观受到了用户的吐槽。这是由于结构光的精度和Baseline(投射器和接收模组的距离)密切相关,Baseline间隔越长,精度就越高。常用的Baseline至少需要保证20 mm以上,iPhoneX选择了27 mmBaseline,“长刘海”也是不得不留。

而对于TOF来说,则不必担心手机设计上的局限,其投射模块和接收模组可紧靠在一起,尺寸上更加紧凑。

 

2. 3D结构光方案带火了VCSEL,由于结构光对编码图案有一定要求,需要制作成特定的图案,对图案表现的一致性、器件高温漂移情况、发热表现、耐环境高温等都有更高的要求,因此对VCSEL供应商的工艺、设计能力以及产品良率上考验很大。

TOF投射器主要包括VCSEL+Diffuser(匀化片,工程扩散片),而TOFVCSEL并不像结构光那样对编码图案有一定要求,只是最常规的规则排列,器件制作上更为简单,装配精度要求也更低,将会扩大VCSEL供应商的范围并降低成本。

 

3. 3D传感模块等关键零件的高难度制程影响了其产能,主要在于结构光模组的产品良率较低。这与结构光的工作原理,通过三角测量法来计算深度信息相关。

TOF的工作原理不同,是通过TOF芯片接收反射回来光线的相位差来计算深度,只需确保相位接收正确,对组装精度要求更低,生产更加容易,不会受到产能限制。

 

4. 相比于二维图像,TOF可以通过计算距离信息来获取物体之间更加丰富的位置关系,区分前景与后景。进一步深化处理后,可应用在3D建模、AR游戏、AR应用、体感游戏、网上AR购物试穿戴等场景。

 

5.相较于3D结构光技术,飞行时间法TOF的成本相对低廉,具备在Z方向更加精准,解决方案更加成熟、功耗更低、抗干扰能力强等优点,且无需扫描设备辅助。

 

 

 

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