研究結(jié)構(gòu)光3D成像技術(shù)分析

結(jié)構(gòu)光技術(shù)就是使用提前設(shè)計(jì)好的具有特殊結(jié)構(gòu)的圖案(比如離散光斑、條紋光、編碼結(jié)構(gòu)光等)，然后將圖案投影到三維空間物體表面上，使用另外一個(gè)相機(jī)觀察在三維物理表面成像的畸變情況。如果結(jié)構(gòu)光圖案投影在該物體表面是一個(gè)平面，那么觀察到的成像中結(jié)構(gòu)光的圖案就和投影的圖案類似，沒有變形，只是根據(jù)距離遠(yuǎn)近產(chǎn)生一定的尺度變化。但是，如果物體表面不是平面，那么觀察到的結(jié)構(gòu)光圖案就會(huì)因?yàn)槲矬w表面不同的幾何形狀而產(chǎn)生不同的扭曲變形，而且根據(jù)距離的不同而不同，根據(jù)已知的結(jié)構(gòu)光圖案及觀察到的變形，就能根據(jù)算法計(jì)算被測(cè)物的三維形狀及深度信息。
 

結(jié)構(gòu)光3D成像技術(shù)主要由4大部分組成：
 

1)不可見光紅外線(IR)發(fā)射模組：用于發(fā)射經(jīng)過特殊調(diào)制的不可見紅外光至拍攝物體。

2)不可見光紅外線(IR)接收模組：接收由被拍攝物體反射回來的不可見紅外光，通過計(jì)算獲取被拍攝物體的空間信息。

3)鏡頭模組：采用普通鏡頭模組，用于2D彩色圖片拍攝。

4)圖像處理芯片：將普通鏡頭模組拍攝的2D彩色圖片和IR接收模組獲取的3D信息集合，經(jīng)算法處理得當(dāng)具備3D信息的彩色圖片。

雙目視覺 Vs 結(jié)構(gòu)光 Vs TOF

下表是雙目立體視覺、結(jié)構(gòu)光、TOF三種可以測(cè)量深度(距離)的技術(shù)方案綜合比較：
 

從上述的對(duì)比分析來看，TOF方案具有響應(yīng)速度快，深度信息精度高，識(shí)別距離范圍大，不易受環(huán)境光線干擾等優(yōu)勢(shì)。因此想要在移動(dòng)端直接實(shí)現(xiàn)深度的測(cè)量，競(jìng)爭(zhēng)力的就是TOF方案。
 

典型手機(jī)

典型代表手機(jī)：聯(lián)想Phab 2。

目前可以買到的具備直接深度測(cè)量的智能手機(jī)只有Google和聯(lián)想合作的聯(lián)想Phab 2，2016年11月推出，是全球首款支持Google Project Tango技術(shù)的手機(jī)，其深度相機(jī)采用TOF技術(shù)方案，由PMD公司提供。

華碩也宣布將在2017年會(huì)推出帶深度相機(jī)的手機(jī)Zenfone AR，號(hào)稱是全球首款同時(shí)支持Google Project Tango(AR)和Daydream(VR)的手機(jī)。

iPhone8也將會(huì)使用深度相機(jī)，果然收購(gòu)PrimeSense公司是有目的的，我們拭目以待。
 

深度相機(jī)應(yīng)用

深度相機(jī)的應(yīng)用范圍非常廣泛：比如未來幾年將會(huì)迅速商業(yè)化的手勢(shì)識(shí)，以及活體人臉識(shí)別、空間測(cè)距、三維重建、AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))等領(lǐng)域。
 

1、手勢(shì)識(shí)別。

TOF深度相機(jī)可以將人臉、身體、手臂、手指從背景中分離，并且這種分割置信度較高，不受自然光變化的影響，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)性處理，所以這將在智能交互領(lǐng)域大有用武之地。預(yù)計(jì)近幾年會(huì)迅速進(jìn)入消費(fèi)級(jí)電子產(chǎn)品中。
 

2、真實(shí)的AR游戲體驗(yàn)。

如下圖是Phab 2的AR游戲展示。由于在二維圖像中融合了實(shí)時(shí)的深度信息，所以AR游戲的體驗(yàn)比較真實(shí)。比如虛擬出來的一只貓，通過實(shí)時(shí)的空間深度感知，它可以“感受”到空間的相對(duì)位置關(guān)系，當(dāng)它走到桌子邊緣的時(shí)候，會(huì)很自然地跳到地面上，這在之前的AR游戲中是難以實(shí)現(xiàn)的。
 

3、三維空間測(cè)量。

由于能夠?qū)崟r(shí)獲得深度信息，所以實(shí)現(xiàn)三維空間測(cè)量也是順其自然的。比如在室內(nèi)裝修領(lǐng)域，可以方便的將各種虛擬的家具以真實(shí)的尺寸擺放到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，用戶拿著手機(jī)就可以體驗(yàn)家居放在室內(nèi)的360°真實(shí)效果，這無疑將是一個(gè)令人激動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)景。
 

4、三維掃描/重建。

可以用于三維物體和k建模和機(jī)器人視覺導(dǎo)航和定位。比如你看到一座非常喜歡的雕塑，就可以利用手機(jī)上的彩色相機(jī)+深度相機(jī)對(duì)它掃描一周，結(jié)合相應(yīng)的算法就可以生成該雕塑的三維模型數(shù)據(jù)，利用三維打印機(jī)就可以方便的打印出一個(gè)三維的雕塑復(fù)制品出來。
 

5、更廣泛的其他應(yīng)用。

融入了深度信息的三維影像可以用于活體人臉識(shí)別，避免傳統(tǒng)二維人臉識(shí)別的安全隱患;可以更加方便進(jìn)行人體三維測(cè)量，從而推動(dòng)虛擬在線試衣行業(yè)的發(fā)展等。

 

隨著深度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，必然還有出現(xiàn)更多有趣的應(yīng)用場(chǎng)景。

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