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)算法計算被測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三種可以測量深度（距離）的技術(shù)方案綜合比較：

從上述的對比分析來看，TOF方案具有響應(yīng)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(shí)現(xiàn)深度的測量，最有競爭力的就是TOF方案了。

典型手機(jī)

典型代表手機(jī)：聯(lián)想Phab2。

目前可以買到的具備直接深度測量的智能手機(jī)只有Google和聯(lián)想合作的聯(lián)想Phab2，2016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年會推出帶深度相機(jī)的手機(jī)Zenfone AR，號稱是全球首款同時支持Google Project Tango（AR）和Daydream（VR）的手機(jī)。

iPhone8也將會使用深度相機(jī)，果然收購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(qiáng)現(xiàn)實(shí))等領(lǐng)域。

1、手勢識別。

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，同時能夠?qū)崟r性處理，所以這將在智能交互領(lǐng)域大有用武之地。預(yù)計最近幾年會迅速進(jìn)入消費(fèi)級電子產(chǎn)品中。

2、真實(shí)的AR游戲體驗(yàn)。

如下圖是Phab2的AR游戲展示。由于在二維圖像中融合了實(shí)時的深度信息，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)時的空間深度感知，它可以“感受”到空間的相對位置關(guān)系，當(dāng)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(shí)現(xiàn)的。

3、三維空間測量。

由于能夠?qū)崟r獲得深度信息，所以實(shí)現(xiàn)三維空間測量也是順其自然的。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，這無疑將是一個令人激動的應(yīng)用場景。

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別，避免傳統(tǒng)二維人臉識別的安全隱患；可以更加方便進(jìn)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(shù)的發(fā)展，必然還有出現(xiàn)更多有趣的應(yīng)用場景。