研究結構光3D成像技術分析

結構光技術就是使用提前設計好的具有特殊結構的圖案(比如離散光斑、條紋光、編碼結構光等)，然后將圖案投影到三維空間物體表面上，使用另外一個相機觀察在三維物理表面成像的畸變情況。如果結構光圖案投影在該物體表面是一個平面，那么觀察到的成像中結構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，那么觀察到的結構光圖案就會因為物體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)已知的結構光圖案及觀察到的變形，就能根據(jù)算法計算被測物的三維形狀及深度信息。
 

結構光3D成像技術主要由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)算法處理得當具備3D信息的彩色圖片。

雙目視覺 Vs 結構光 Vs TOF

下表是雙目立體視覺、結構光、TOF三種可以測量深度(距離)的技術方案綜合比較：
 

從上述的對比分析來看，TOF方案具有響應速度快，深度信息精度高，識別距離范圍大，不易受環(huán)境光線干擾等優(yōu)勢。因此想要在移動端直接實現(xiàn)深度的測量，競爭力的就是TOF方案。
 

典型手機

典型代表手機：聯(lián)想Phab 2。

目前可以買到的具備直接深度測量的智能手機只有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技術的手機，其深度相機采用TOF技術方案，由PMD公司提供。

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

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

深度相機應用

深度相機的應用范圍非常廣泛：比如未來幾年將會迅速商業(yè)化的手勢識，以及活體人臉識別、空間測距、三維重建、AR(增強現(xiàn)實)等領域。
 

1、手勢識別。

TOF深度相機可以將人臉、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，同時能夠實時性處理，所以這將在智能交互領域大有用武之地。預計近幾年會迅速進入消費級電子產(chǎn)品中。
 

2、真實的AR游戲體驗。

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

3、三維空間測量。

由于能夠實時獲得深度信息，所以實現(xiàn)三維空間測量也是順其自然的。比如在室內裝修領域，可以方便的將各種虛擬的家具以真實的尺寸擺放到現(xiàn)實環(huán)境中，用戶拿著手機就可以體驗家居放在室內的360°真實效果，這無疑將是一個令人激動的應用場景。
 

4、三維掃描/重建。

可以用于三維物體和k建模和機器人視覺導航和定位。比如你看到一座非常喜歡的雕塑，就可以利用手機上的彩色相機+深度相機對它掃描一周，結合相應的算法就可以生成該雕塑的三維模型數(shù)據(jù)，利用三維打印機就可以方便的打印出一個三維的雕塑復制品出來。
 

5、更廣泛的其他應用。

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

 

隨著深度測量技術的發(fā)展，必然還有出現(xiàn)更多有趣的應用場景。

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