3D成像和傳感系統(tǒng)的基本設計注意事項

相機已經(jīng)徹底改變了智能手機、汽車、監(jiān)控和提供增強現(xiàn)實 （AR） 和虛擬現(xiàn)實 （VR） 功能的小玩意兒?，F(xiàn)在，3D 傳感器通過同時實時檢測和分類各種物體，將這一成像革命提升到一個新的水平。

Apple 的 iPhone X 采用 3D 面部識別而不是指紋傳感器或 PIN 就是一個很好的例子。這款引領潮流的手機現(xiàn)在正考慮采用支持 3D 感應的面部識別技術，以確保生物識別技術用于移動支付、手勢感應以及身臨其境的購物和游戲體驗。

值得一提的是，3D 傳感在 1990 年代中期以垂直腔面發(fā)射激光器 （VCSEL） 技術的形式首次出現(xiàn)在數(shù)據(jù)通信中?？爝M到 2017 年：Apple 在 iPhone X 中集成了三個不同的 VCSEL 芯片用于接近傳感器和用于準確面部識別的 Face ID 模塊，從而將 3D 傳感帶入了消費領域。

Android 手機制造商紛紛效仿采用 3D 傳感技術，而像 ams 這樣的傳感器供應商也開始發(fā)布 VCSEL 芯片來為前置和后置 3D 攝像頭供電。這些智能手機將能夠準確計算房間的深度，識別虛擬游戲中的手勢，并在現(xiàn)實對象的前后顯示虛擬角色。

根據(jù)市場研究公司 Gartner Inc. 的數(shù)據(jù)，到 2021 年，近 40% 的智能手機將配備 3D 攝像頭。這些支持 3D 傳感器的智能手機將在促進 AR 功能等下一代交互式視覺體驗方面發(fā)揮重要作用。

但是，雖然智能手機正在加速高精度 3D 傳感的開發(fā)和商業(yè)化，但我們也看到基于 3D 傳感的攝像頭系統(tǒng)在從汽車到工業(yè)再到監(jiān)控的廣泛領域得到采用。

3D 傳感器基礎知識3D 傳感器可區(qū)分對象，在繪制大面積區(qū)域時確定位置，并創(chuàng)建對象或環(huán)境的詳細圖像。這使得 3D 感應相機解決方案成為掃描、深度感應和面部識別應用的關鍵組成部分。

有兩種主要技術用于以 3D 格式捕獲和呈現(xiàn)信息：結構光和飛行時間 （ToF）。結構光傳感系統(tǒng)投射一個活躍的點圖案，并通過分析該圖案的變形來獲得深度。例如，第一代 Kinect 使用了結構光相機。

ToF 可能是 3D 傳感器中使用最廣泛的技術，它發(fā)出不可見的激光脈沖并測量它們反彈所需的時間。第二代 Kinect 采用了 ToF 攝像頭。ToF 傳感器之所以受到關注，是因為它們能夠實現(xiàn)設備小型化和能源效率。另一方面，結構光傳感器可以以合理的成本提供更高分辨率的映射。

3D 傳感器由負責發(fā)射和反射紅外光強度的接收光學器件和像素靈敏度至關重要的 3D 傳感芯片組成。3D 傳感芯片，通常是 VCSEL 設備，充當光源，用紅外光照亮像人臉一樣的物體。

以面部識別為例，其中 VCSEL 芯片用紅外光均勻地照亮面部。接下來，3D 傳感器捕捉用戶的關鍵特征，并將其與存儲在系統(tǒng)中的用戶圖像進行比較。如果兩個數(shù)據(jù)集匹配，智能手機將解鎖。

VCSEL 芯片更容易安裝，并且與激光二極管不同，它對溫度波動不太敏感。這反過來又為其在汽車、工業(yè)和安全應用中的使用鋪平了道路。

3D 系統(tǒng)集成光學傳感和成像解決方案需要完整和優(yōu)化的硬件和軟件系統(tǒng)。這也使 OEM 和系統(tǒng)集成商能夠加速 3D 傳感技術在支持面部識別的移動支付、Animoji 創(chuàng)建以及增強和虛擬現(xiàn)實中的部署。

這就是 3D 傳感器供應商ams與人臉識別算法專家曠視的 Face++ 攜手合作的原因。兩家公司正在協(xié)調(diào)他們的設計工作，以確保 ams 的 3D 光學傳感硬件和 Face++ 的軟件算法相互優(yōu)化。

來自奧地利的 ams 的 3D 光學傳感系統(tǒng)采用紅外光投影儀來映射現(xiàn)實世界物體的表面，例如用戶的面部。將這些 3D 傳感系統(tǒng)與面部識別算法相結合，使設計人員能夠避免與 3D 傳感軟件和硬件集成相關的開發(fā)風險和時間。

來自 Himax Technologies的有源立體攝像頭 （ASC） 參考設計 是 3D 傳感系統(tǒng)內(nèi)部集成工作方式的另一個示例。臺灣 Himax 的 3D 感應解決方案針對 Android 智能手機的面部識別和安全在線支付。

Himax 與移動處理器供應商聯(lián)發(fā)科和曠視科技合作開發(fā)了這款 3D 傳感系統(tǒng)，曠視科技是一家圍繞 Face++ 軟件構建的面部識別解決方案的中國開發(fā)商。ASC 參考設計將聯(lián)發(fā)科的立體匹配深度引擎和曠視基于 Face++ 的計算機視覺算法與 Himax 的投影儀、傳感器和激光驅動器相結合。

Himax 還與人工智能 （AI） 專家 Kneron 合作，將 3D 傳感器從智能手機擴展到安全和監(jiān)控等應用。在這里，Himax 正在用 Kneron 的 AI 處理器和面部識別算法補充其結構光模塊 （SLiM） ，以將深度學習技術帶入網(wǎng)絡邊緣。

這使得該模塊能夠為各種應用提供具有更高分辨率和精度的 3D 深度圖生成。SLiM 在室內(nèi)和室外環(huán)境中促進的 3D 傳感應用包括面部識別、3D 重建和場景感知。

下一次成像革命3D 傳感設計最初是在智能手機領域推動的，但將面部識別等 3D 光學傳感技術引入智能手機需要十多年的時間?，F(xiàn)在，新一波 3D 傳感應用程序已準備好為增強現(xiàn)實、3D 映射、機器人、無人機等提供動力。

這些光學傳感解決方案——提供前所未有的精度和圖像分辨率——針對各種掃描、面部識別和交互系統(tǒng)進行了優(yōu)化。這些 3D 圖像傳感器的外形尺寸和功耗也在縮小，以支持智能手機中面部識別以外的用例。

例如，Occipital 的 3D 傳感器Structure Core可在平板電腦和其他移動設備上提供 3D 掃描和映射。同樣，3D 傳感系統(tǒng)也被用于材料加工和光纖耦合激光泵浦等工業(yè)應用。

3D 傳感和成像革命已經(jīng)到來，它將擾亂許多市場。看看 3D 傳感如何區(qū)分 iPhone X，以及 Android 手機如何在這方面努力實現(xiàn)平衡。物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員應該注意，因為嵌入式系統(tǒng)可能是一個類似的故事?！?/p>