如今，3D結(jié)構(gòu)光、雙目立體視覺和TOF是當(dāng)今3D成像三大主流技術(shù)。它們各有特色，下面就為大家詳細(xì)介紹三種技術(shù)的微妙之處。
首先科普一下什么叫做3D 成像？

 

近年來(lái)，3D成像在工業(yè)和消費(fèi)者應(yīng)用中變得重要，具有3D成像功能的機(jī)器視覺系統(tǒng)可以更快，更準(zhǔn)確地檢查生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的組件。在消費(fèi)者領(lǐng)域，3D成像為媒體提供更大的圖像深度。3D成像技術(shù)的成熟拉開了二維向三維升級(jí)的帷幕，有望帶動(dòng)光學(xué)創(chuàng)新的新一輪革命。

 

3D成像受到最復(fù)雜成像物體——眼睛的啟發(fā)。由于眼睛是分開的，每個(gè)人都從不同的角度看世界。快速覆蓋一只眼睛，然后另一只眼睛，每次都表現(xiàn)出微妙但明顯的角度差異。人類在視覺中感知的維度來(lái)自大腦將不同的圖像組合成一個(gè)整體成為視差現(xiàn)象。基于此，3D成像在二維的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了像素景深的疊加，拍照的同時(shí)記錄下對(duì)象的立體信息，推動(dòng)人臉識(shí)別、虹膜識(shí)別、手勢(shì)控制、機(jī)器視覺等變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，是開啟AI和AR時(shí)代的感知鑰匙。

 

一、3D結(jié)構(gòu)光

 

用過(guò)iPhoneX的都知道，它開啟了光學(xué)成像的新大陸，3D結(jié)構(gòu)光和TOF就應(yīng)用在這款手機(jī)上。其中Face ID人臉識(shí)別系統(tǒng)就采用3D結(jié)構(gòu)光。
結(jié)構(gòu)光是通過(guò)近紅外激光器向物體投射具有一定結(jié)構(gòu)特征的光線，再由專門的紅外攝像頭進(jìn)行采集獲取物體的三維結(jié)構(gòu)，再通過(guò)運(yùn)算對(duì)信息進(jìn)行深度處理成像。該技術(shù)目前有編碼結(jié)構(gòu)光和散斑結(jié)構(gòu)光兩種實(shí)現(xiàn)類別。

 

結(jié)構(gòu)光技術(shù)僅需一次成像就可得到深度信息，具備低能耗、高成像分辨率的優(yōu)勢(shì)，能夠在安全性上實(shí)現(xiàn)較高保證，因此被廣泛應(yīng)用于人臉識(shí)別和人臉支付等場(chǎng)景。但結(jié)構(gòu)光技術(shù)識(shí)別距離較短，大約在0.2米到1.2米之間，這將其應(yīng)用局限在了手機(jī)前置攝像，主要用于3D人臉識(shí)別屏幕解鎖、人臉支付及3D建模等。iPhoneX上的Truedepth相機(jī)，用的是以色列PrimeSense公司的Light Coding技術(shù)。這種結(jié)構(gòu)光方案，通過(guò)投射人眼不可見的偽隨機(jī)散斑紅外光點(diǎn)到物體上，每個(gè)偽隨機(jī)散斑光點(diǎn)和它周圍一定范圍內(nèi)的點(diǎn)集在空間分布中的每個(gè)位置都是唯一的，并將預(yù)先進(jìn)行了存儲(chǔ)。只要在空間中打上這樣的結(jié)構(gòu)光，整個(gè)空間就都被做了標(biāo)記，把一個(gè)物體放進(jìn)這個(gè)空間，只要看看物體上面的散斑圖案，就可以知道這個(gè)物體在什么位置了。當(dāng)然，在這之前要把整個(gè)空間的散斑圖案都記錄下來(lái)，所以要先做一次光源基準(zhǔn)標(biāo)定（pattern）。如果你沒(méi)有概念，就想象一下手電筒，幾萬(wàn)個(gè)點(diǎn)投射在你手上，和投射在10米遠(yuǎn)處的物體上，每個(gè)點(diǎn)覆蓋的面積是不是放大了很多倍­精度就會(huì)自然降低很多。

當(dāng)然，結(jié)構(gòu)光的缺點(diǎn)也比較明顯：由于投射經(jīng)過(guò)編碼的圖像或散斑光點(diǎn)，在室外容易被強(qiáng)自然光淹沒(méi)，所以結(jié)構(gòu)光方案在室外并不好用。當(dāng)物體距離相機(jī)較遠(yuǎn)時(shí)，物體上投射到的圖像或光點(diǎn)越大，精度也越差；它也容易受光滑平面的反光影響，比如投到鏡子上。

 

需要說(shuō)明的是，結(jié)構(gòu)光法按投射方式可分為點(diǎn)、線、面三種方式。這些技術(shù)皆為提高編碼圖案的解調(diào)抗干擾性，以及更快獲取深度點(diǎn)云而采取的不同技術(shù)手段，目前，在移動(dòng)終端領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)光編碼以靜態(tài)編碼為主。

3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)這么強(qiáng)悍，那能用在什么地方呢?

 

現(xiàn)在很多產(chǎn)品和行業(yè)已經(jīng)開始大量使用3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)了， iPhone手機(jī)Face ID功能憑借著出色的體驗(yàn)已經(jīng)得到了消費(fèi)者們的廣泛認(rèn)可;OPPO Find X手機(jī)搭載的便是奧比中光3D攝像頭，此外，還有其他場(chǎng)景也會(huì)用到：

 

1、智能手機(jī)
3D人臉解鎖和支付、社交(根據(jù)捕捉人的面部表情生成專屬3D形象和表情包)、視頻直播、3D個(gè)性美顏、AR游戲級(jí)購(gòu)物、室內(nèi)導(dǎo)航等;

2、新零售領(lǐng)域

刷臉支付;商家則可以對(duì)客流進(jìn)行智能分析，快速對(duì)商品進(jìn)行識(shí)別和整理，并對(duì)貨架進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控等;

3、房地產(chǎn)和裝修行業(yè)

通過(guò)3D空間掃描可以快速幫助設(shè)計(jì)師完成量房、設(shè)計(jì)等工作，大大提升工作效率;

4、安檢和監(jiān)控

如今新推出的智能門禁、閘機(jī)、智能門鎖也都采用了人臉識(shí)別技術(shù)，這樣可以讓安檢的效率更高，對(duì)于用戶而言體驗(yàn)也會(huì)更好;

5、駕駛輔助安全

通過(guò)3D視覺自主核心算法可以將3D圖像識(shí)別準(zhǔn)確率提高到99.9%，并做到毫秒級(jí)響應(yīng)，同時(shí)能全天候工作，監(jiān)督預(yù)警保障駕駛安全;

6、智能機(jī)器人應(yīng)用

提升智能機(jī)器人的感知能力，讓它們做到更多的事情;

7、智能家居

可以讓家電產(chǎn)品加入手勢(shì)操控、智能開關(guān)機(jī)等創(chuàng)新功能，大大提高便捷度;

 

二、雙目立體視覺

 雙目立體視覺（Binocular Stereo Vision）這項(xiàng)技術(shù)可有些年頭了，它始于上世紀(jì)的60年代中期，是機(jī)器視覺的一種重要形式，基本原理是從兩個(gè)視點(diǎn)觀察同一景物，以獲取在不同視角下的感知圖像，然后通過(guò)三角測(cè)量原理計(jì)算圖像像素間的位置偏差(視差)來(lái)獲取景物的三維信息。這一過(guò)程與人類視覺感知過(guò)程是類似的。
經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)的發(fā)展，立體視覺在機(jī)器人視覺、航空測(cè)繪、反求工程、軍事運(yùn)用、醫(yī)學(xué)成像和工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域中的運(yùn)用越來(lái)越廣。

 

由于雙目立體成像系統(tǒng)在場(chǎng)景缺乏特征時(shí)，經(jīng)常會(huì)受到性能下降的困擾，因此在未被應(yīng)用在智能手機(jī)成像中。舉個(gè)例子，在面對(duì)墻壁平坦光滑的表面的情況下，立體成像系統(tǒng)捕獲的 3D 信息通常不完整或不準(zhǔn)確。

 

雙目體視目前主要應(yīng)用于四個(gè)領(lǐng)域：機(jī)器人導(dǎo)航、微操作系統(tǒng)的參數(shù)檢測(cè)、三維測(cè)量和虛擬現(xiàn)實(shí)。

 

技術(shù)發(fā)展方向

 

就雙目立體視覺技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀而言，要構(gòu)造出類似于人眼的通用雙目立體視覺系統(tǒng)，還有很長(zhǎng)的路要走，進(jìn)一步的研究方向比如：

 

1、如何建立更有效的雙目立體視覺模型，能更充分地反映立體視覺不去確定性的本質(zhì)屬性，為匹配提供更多的約束信息，降低立體匹配的難度。

2、探索新的適用于全面立體視覺的計(jì)算理論和匹配擇有效的匹配準(zhǔn)則和算法結(jié)構(gòu)，以解決存在灰度失真，幾何畸變（透視，旋轉(zhuǎn)，縮放等），噪聲干擾，特殊結(jié)構(gòu)（平坦區(qū)域，重復(fù)相似結(jié)構(gòu)等），及遮掩景物的匹配問(wèn)題；

3、算法向并行化發(fā)展，提高速度，減少運(yùn)算量，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性；

4、強(qiáng)調(diào)場(chǎng)景與任務(wù)的約束，針對(duì)不同的應(yīng)用目的，建立有目的的面向任務(wù)的雙目立體視覺系統(tǒng)。
三、TOF讓3D建模更簡(jiǎn)單

 

2018年iPhoneX 的問(wèn)市把TOF技術(shù)推向了舞臺(tái)，它通過(guò)向目標(biāo)發(fā)射連續(xù)的特定波長(zhǎng)的紅外光線脈沖，再由特定傳感器接收待測(cè)物體傳回的光信號(hào)，計(jì)算光線往返的飛行時(shí)間或相位差，從而獲取目標(biāo)物體的深度信息。
現(xiàn)實(shí)中，立體化的3D視覺比2D圖片的形式要生動(dòng)、沉浸許多，這是人們所追求的直觀體驗(yàn)。但曾經(jīng)主流的3D建模實(shí)現(xiàn)都十分昂貴，而當(dāng)3D鏡頭技術(shù)和傳統(tǒng)鏡頭結(jié)合起來(lái)，意味著在移動(dòng)端即可實(shí)現(xiàn)3D建模，ToF技術(shù)正推動(dòng)著3D建模應(yīng)用 “飛入尋常百姓家”，它的使用進(jìn)一步豐富了3D建模技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。

 

如今各大手機(jī)廠商都會(huì)將TOF考慮進(jìn)去，因?yàn)橛蠺OF攝像頭參與的成像在虛化效果上會(huì)更加真實(shí)，富有層次，從而能夠帶來(lái)更好人像模式體驗(yàn)。

 

四、三大技術(shù)誰(shuí)將稱王

 

雙目立體視覺、結(jié)構(gòu)光和ToF 這三種3D 成像技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。

 

從軟件復(fù)雜度角度而言：雙目立體視覺主要依靠算法，軟件復(fù)雜度高，計(jì)算量大。

從功耗角度而：ToF 方案功耗高、發(fā)熱量大。

從測(cè)量準(zhǔn)確性角度而言：結(jié)構(gòu)光在室內(nèi)弱光環(huán)境準(zhǔn)確性高，但在室外強(qiáng)光干擾下準(zhǔn)確度差。

從結(jié)構(gòu)緊湊型角度而言：結(jié)構(gòu)光方面緊湊型高。
上述來(lái)看，結(jié)構(gòu)光和ToF各有優(yōu)勢(shì)，在移動(dòng)端的應(yīng)用上具有互補(bǔ)的特性，但不可否認(rèn)，ToF的多場(chǎng)景應(yīng)用呈現(xiàn)出了更為廣闊的發(fā)展前景。iPhone X對(duì)3D結(jié)構(gòu)光的應(yīng)用帶動(dòng)了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和滲透，目前相較于ToF，結(jié)構(gòu)光技術(shù)在應(yīng)用上更為成熟，出貨量上明顯占優(yōu)。而且結(jié)構(gòu)光的掃描效果更為真實(shí)，具備更強(qiáng)的3D還原能力。但遺憾的是，作用距離的劣勢(shì)限制了其應(yīng)用。

 

ToF技術(shù)彌補(bǔ)了距離上的缺陷，由于能夠支持更遠(yuǎn)的作用距離，ToF技術(shù)可以被應(yīng)用于包含3D人臉識(shí)別、3D建模以及手勢(shì)識(shí)別、體感游戲、AR/VR在內(nèi)的更多場(chǎng)景中，從而為智能手機(jī)更娛樂(lè)性和實(shí)用性的體驗(yàn)。此外，相比結(jié)構(gòu)光技術(shù)，ToF的模組復(fù)雜度低，堆疊簡(jiǎn)單，可以做到非常小巧且堅(jiān)固耐用，在屏占比不斷提高的外觀趨勢(shì)下，更得到手機(jī)廠商的青睞。
TOF市場(chǎng)空間更廣闊

 

下一波移動(dòng)終端創(chuàng)新將圍繞AR進(jìn)行革命性創(chuàng)新。內(nèi)容廠商不斷推動(dòng)AR/VR開發(fā)平臺(tái)的發(fā)展，必然會(huì)推動(dòng)TOF產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。TOF有望接力結(jié)構(gòu)光，從生物感知到虛擬現(xiàn)實(shí)，從人臉識(shí)別到3D建模，帶來(lái)產(chǎn)業(yè)端升級(jí)和用戶體驗(yàn)優(yōu)化，前置人臉識(shí)別+后置虛擬現(xiàn)實(shí)功能可能成為手機(jī)的下一個(gè)形態(tài)。
據(jù)估計(jì)，2019/2020年TOF的出貨量為7760萬(wàn)/2.1億部，同比大幅增長(zhǎng)747%/166%。

 

BOM比較：TOF更便宜

 

預(yù)計(jì)ToF和結(jié)構(gòu)光的BOM成本大約為12~15美元和20美元，相比之下TOF更具有成本優(yōu)勢(shì)。以iPhone X為例，結(jié)構(gòu)光技術(shù)的解決方案包括三個(gè)子模塊（點(diǎn)投影儀，近紅外攝像機(jī)和泛光照明器+接近傳感器），而ToF解決方案則將三個(gè)集成到一個(gè)模塊中，可以將包裝成本降低。
在這個(gè)TOF模組中，芯片的成本仍占主要的部分，大約占到整體BOM的28%~30%。

 

目前整體來(lái)看，三種主流的3D視覺成像技術(shù)各有所長(zhǎng)，未來(lái)也許將會(huì)逐漸融合。比如遠(yuǎn)距離應(yīng)用采用TOF，而近距離(如手機(jī))則會(huì)采用3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)。現(xiàn)階段這兩種技術(shù)都得到了不少知名企業(yè)的支持，其中蘋果、Intel、微軟、奧比中光等企業(yè)都在3D結(jié)構(gòu)光方面投入了諸多研發(fā)力量。