談3D視覺應(yīng)用方案光學(xué)測量分類以及其原理

蘋果公司從iPhone X 的開始引入了3D 深度傳感技術(shù)，它便是蘋果 Face ID 功能的基礎(chǔ)。

iPhone X 的 3D 攝像頭采用的是紅外 3D 結(jié)構(gòu)光方案，包含「紅外光源+光學(xué)組件+紅外傳感器」等部分，其中最關(guān)鍵的部分就是紅外光源。早期 3D 傳感系統(tǒng)一般都使用 LED 作為紅外光源，但是隨著 VCSEL 芯片技術(shù)的成熟，在精確度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面占優(yōu)，因而現(xiàn)在常見的 3D 攝像頭系統(tǒng)一般都采用 VCSEL 作為紅外光源。

3D視覺測量原理

要談3D視覺應(yīng)用方案，就必須先弄清楚光學(xué)測量分類以及其原理。光學(xué)測量分為主動測距法和被動測距法。

主動測距方法的基本思想是利用特定的、人為控制光源和聲源對物體目標(biāo)進(jìn)行照射，根據(jù)物體表面的反射特性及光學(xué)、聲學(xué)特性來獲取目標(biāo)的三維信息。其特點是具有較高的測距精度、抗干擾能力和實時性，具有代表性的主動測距方法有結(jié)構(gòu)光法、飛行時間法、和三角測距法。

1. 主動測距法

（1）結(jié)構(gòu)光法

根據(jù)投影光束形態(tài)的不同，結(jié)構(gòu)光法又可分為光點式結(jié)構(gòu)光法、光條式結(jié)構(gòu)光法和光面式結(jié)構(gòu)光法等。

目前應(yīng)用中較廣，且在深度測量中具有明顯優(yōu)勢的方法是面結(jié)構(gòu)光測量法。面結(jié)構(gòu)光測量將各種模式的面結(jié)構(gòu)投影到被測物體上，例如將分布較密集的均勻光柵投影到被測物體上面，由于被測物體表面凹凸不平，具有不同的深度，所以表面反射回來的光柵條紋會隨著表面不同的深度發(fā)生畸變，這個過程可以看作是由物體表面的深度信息對光柵的條紋進(jìn)行調(diào)制。所以被測物體的表面信息也就被調(diào)制在反射回來的光柵之中。通過被測物體反射回來的光柵與參考光柵之間的幾何關(guān)系，分析得到每一個被測點之間的高度差和深度信息。

結(jié)構(gòu)光的優(yōu)點是計算簡單，測量精度較高，對于平坦的、無明顯紋理和形狀變化的表面區(qū)域都可進(jìn)行精密的測量。其缺點是對設(shè)備和外界光線要求高，造價昂貴。目前，結(jié)構(gòu)光法主要應(yīng)用在條件良好的室內(nèi)。

（2）飛行時間法（ToF）

飛行時間（Time of Flight，簡稱ToF）法，又叫做激光雷達(dá)（LiDAR）測距法。它將脈沖激光信號投射到物體表面，反射信號沿幾乎相同路徑反向傳至接收器，利用發(fā)射和接收脈沖激光信號的時間差可實現(xiàn)被測量表面每個像素的距離測量。

飛行時間（ToF）深度測量法的原理示意圖

ToF直接利用光傳播特性，不需要進(jìn)行灰度圖像的獲取與分析，因此距離的獲取不受物體表面性質(zhì)的影響，可快速準(zhǔn)確地獲取景物表面完整的三維信息。缺點則是需要較復(fù)雜的光電設(shè)備，價格偏貴。

（3）三角測距法

三角測距法又稱主動三角法，是基于光學(xué)三角原理，根據(jù)光源、物體和檢測器三者之間的幾何成像關(guān)系來確定空間物體各點的三維坐標(biāo)。在實際測量過程中，它常用激光作為光源，用CCD相機作為檢測器。這種方式主要用于工業(yè)勘探、工件表面粗糙度檢測、輪胎檢測、飛機檢測等工業(yè)、航空、軍事領(lǐng)域，在消費電子類產(chǎn)品還不曾涉及。

基于激光三角法測量系統(tǒng)簡圖

2. 被動測距法

被動測距技術(shù)不需要人為地設(shè)置輻射源，只利用場景在自然光照下的二維圖像來重建景物的三維信息，具有適應(yīng)性強、實現(xiàn)手段靈活、造價低的優(yōu)點。但是這種方法是用低維信號來計算高維信號的，所以其使用的算法復(fù)雜。被動測距按照使用的視覺傳感器數(shù)量可分為單目視覺、雙目立體視覺和多目視覺三大類。

（1）單目視覺

單目視覺是指僅利用一臺照相機拍攝一張相片來進(jìn)行測量。因僅需要一臺相機，所以該方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、相機標(biāo)定容易，同時還避免了立體視覺的小視場問題和匹配困難問題。

單目視覺測量示意圖

單目視覺方法又可分聚焦法和離焦法兩類。聚焦法是指首先使相機相對于被測點處于聚焦位置，然后根據(jù)透鏡成像公式求得被測點相對于相機的距離。相機偏離聚焦位置會帶來測量誤差，因此尋求精確的聚焦位置是關(guān)鍵所在。而離焦法不要求相機相對于被測點處于聚焦位置，而是根據(jù)標(biāo)定出的離焦模型計算被測點相對于相機的距離，這樣就避免了由于尋求精確的聚焦位置而降低測量效率的問題，但離焦模型的準(zhǔn)確標(biāo)定是該方法的主要難點。

（2）雙目立體視覺

雙目立體視覺的基本原理是從兩個視點觀察同一景物，以獲取在不同視角下的感知圖像，然后通過三角測量原理計算圖像像素間的位置偏差（視差）來獲取景物的三維信息。這一過程與人類視覺感知過程是類似的。

雙目立體視覺測量示意圖

在雙目立體視覺系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)中，通常采用兩個攝像機作為視覺信號的采集設(shè)備，通過雙輸入通道圖像采集卡與計算機連接，把攝像機采集到的模擬信號經(jīng)過采樣、濾波、強化、模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終向計算機提供圖像數(shù)據(jù)。一個完整的雙目立體視覺系統(tǒng)通?？煞譃閿?shù)字圖像采集、相機標(biāo)定、圖像預(yù)處理與特征提取、圖像校正、立體匹配、三維重建六大部分。

（3）多目立體視覺

多目立體視覺系統(tǒng)是對雙目視覺系統(tǒng)的一種拓展。所謂多目立體視覺系統(tǒng)，就是采用多個攝像機設(shè)置于多個視點，或者由一個攝像機從多個視點觀測三維景物的視覺系統(tǒng)。

多目視覺測量示意圖

對多目系統(tǒng)所采集到的景物圖像進(jìn)行感知、識別和理解的技術(shù)被稱為多目立體視覺系統(tǒng)技術(shù)。在雙目立體視覺中，對于給定的物體距離，視差與基線長度成正比，基線越長，對距離的計算越精確。但是當(dāng)基線過長時，需要在相對較大的視覺范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，從而增加計算量。利用多基線立體匹配是消除誤匹配、提高視差測量準(zhǔn)確性的有效方法之?；€數(shù)目的增加可以通過增加相機來實現(xiàn)。

光電3D影像技術(shù)

根據(jù)獲取圖像信息方法的不同，光電3D影像技術(shù)分為有源和無源兩種技術(shù)，無源技術(shù)主要是接受物體的輻射或者環(huán)境的發(fā)射，有源技術(shù)是通過投射一束調(diào)制的或未調(diào)制的光到物體上通過檢測物體反射的光來形成3D圖像。

以前大多數(shù)技術(shù)研究集中在無源3D技術(shù)上，利用三角測量原理，通過兩臺相距一定距離的照相機，左邊照相機產(chǎn)生的圖像表示深度信息，右邊照相機產(chǎn)生差異的二維圖像。關(guān)鍵是產(chǎn)生深度信息的照相機需要分離出深度信息。無源3D影像技術(shù)需要拍攝的物體具有突出的輪廓特點，比如邊緣、角、線等。其優(yōu)點是不需要特殊的硬件條件，并成功使用在好幾個方面。這種技術(shù)的缺點是需要兩臺或者更多的高質(zhì)量的照相機、圖像處理軟件。圖像質(zhì)量、拍照速度、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷际沁@種機制能否被廣泛應(yīng)用的限制因素。

有源3D光電圖像方法是投射一束有規(guī)律的空間分布的線狀光到物體上從而產(chǎn)生一個網(wǎng)狀格的深度。廣泛使用的有源光方法是飛行時間(time off light)方法，最近幾年，市場上出現(xiàn)的3D照相機都是基于飛行時間方法，這些3D照相機主要應(yīng)用于工業(yè)控制。SwissRanger3000照相機是最近應(yīng)用這種技術(shù)的產(chǎn)品，通過飛行時間方法檢測相位來實現(xiàn)3D影像。一束幾十兆赫茲被調(diào)制的近紅外光照射到物體上，物體反射的光進(jìn)入3D照相機，由于立體物體的遠(yuǎn)近距離不同，反射光的相位存在一個延遲，通過檢測原始光束以及反射光束的相位延遲從而檢測出物體的景深，從而實現(xiàn)3D圖像。這種3D圖像傳感器的制作由ZMD公司完成，ZMD公司根據(jù)3D圖像傳感器需要高速的特點從噪聲和速度進(jìn)行工藝優(yōu)化，響應(yīng)速度可以到100MHz以上。

3D視覺圖像傳感器技術(shù)

不管是多個照相機形成的3D無源影像技術(shù)，還是以飛行時間方為原理的有源3D影像技術(shù)，整個系統(tǒng)的價格都很高、功耗大、需要復(fù)雜的校正軟件。在有源3D影像技術(shù)中可以獲得高精度的3D圖像，但是要求傳感器的工作響應(yīng)速度很高，在現(xiàn)有技術(shù)情況下，不得不降低圖像的分辨率。目前研究3D影像技術(shù)主要集中在基于CCD或者CMOS圖像傳感器的3D實現(xiàn)方法、圖像處理和顯示的研究，真正開展視覺傳感器研究的很少。

一種新的3D視覺圖像傳感器技術(shù)，可以單芯片實現(xiàn)3D拍照的功能，同時可以輸出2D的影像，并輸出高分辨率的3D圖像。這種圖像傳感器技術(shù)并不需要額外的有源光照，通過電子快門控制曝光時間，獲得高速的視頻圖像，通過自動對焦處理，形成景深影像。這種3D傳感器技術(shù)很適合于低價格、小型化的視覺應(yīng)用系統(tǒng)，比如手機等多媒體應(yīng)用。

該系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，3DCMOS圖像傳感器以及可變焦的液體鏡頭兩部分構(gòu)成，其中3DCMOS圖像傳感器集成光電轉(zhuǎn)變電路、低噪聲讀出電路、噪聲抑制電路、可編程放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路、曝光控制電路、壞像素糾正電路、彩色空間轉(zhuǎn)換電路、自動白平衡電路以及多媒體圖像信號處理電路等功能。

圖1是傳統(tǒng)2D與提出的3D拍照圖像傳感器芯片與系統(tǒng)，圖1(a)是傳統(tǒng)2D拍照圖像傳感器芯片與系統(tǒng)，圖中主要包括2DCMOS圖像傳感器芯片和定焦鏡頭，當(dāng)拍照的時候，物體上所有的像素點都映射到AA'平面上，因此系統(tǒng)拍照得到的是一個2維圖像。圖2(b)是提出的3D拍照圖像傳感器芯片與系統(tǒng)，圖中主要包括3DCMOS圖像傳感器芯片和液體變焦鏡頭。其中3DCMOS圖像傳感器芯片的特點是響應(yīng)速度快、動態(tài)范圍高、具有焦距判斷、輸出控制信號改變液態(tài)鏡頭的功能。液態(tài)變焦鏡頭是近兩年發(fā)展起來的新型變焦鏡頭，通過改變施加在液體上的電壓而改變焦距，比如拍照AA'平面時，液體變焦鏡頭的形狀如圖中的實線所示，如果拍照BB'平面時，液體變焦鏡頭的形狀如圖中的虛線所示，在AA'與BB'平面之間可以拍照多幅圖像，分析這些圖像的輪廓并合成這些圖像的邊緣，就可以得到一幅完整的3D圖像。這種3D拍照圖像傳感器系統(tǒng)具有分辨率高，根據(jù)預(yù)設(shè)拍照的照片個數(shù)的多少而得到更精確的景深照片。與傳統(tǒng)的光學(xué)變焦鏡頭相比，這種液體變焦鏡頭的優(yōu)勢是響應(yīng)快、變焦快，適合于快速變焦的應(yīng)用場合。

圖2是3DCMOS圖像傳感器芯片的示意圖，圖中的像素單元電路具有靈敏度高、暗電流小、噪聲低等優(yōu)點，行譯碼電路和列譯碼電路在時序控制電路的控制下產(chǎn)生像素陣列工作的時序，噪聲抑制電路消除信號通路帶來的噪聲，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并輸給邏輯產(chǎn)生與數(shù)字信號處理電路，邏輯產(chǎn)生與數(shù)字信號處理電路產(chǎn)生控制信號控制感光陣列的曝光時間，并集成白平衡處理、彩色差值、焦距判斷、輪廓提取等功能。其中模數(shù)轉(zhuǎn)換器是多分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在拍照2D圖像時輸出10bit的數(shù)據(jù)，當(dāng)拍照3D圖像時，僅僅輸出二值化的圖像信息。同時電路可以集成電源管理、鎖相環(huán)電路模塊、I2C控制總線，這正是CMOS圖像傳感器的優(yōu)勢所在(與CCD圖像傳感器相比，CCD不能單芯片集成)。

圖3表示3DCMOS圖像傳感器芯片及系統(tǒng)工作的時序圖，其中長曝光時間拍攝的是正常的2D圖像，后續(xù)短曝光拍攝的是景深圖像，從AA'到BB'平面可以連續(xù)自動拍照，從而產(chǎn)生合成3D影像的景深圖像。當(dāng)3DCMOS圖像傳感器芯片工作于2D圖像拍照模式時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出10位的數(shù)據(jù)給數(shù)字信號圖像處理模塊，當(dāng)3D CMOS圖像傳感器芯片工作于3D圖像拍照模式，模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出二值化的圖像信息，因此3D CMOS圖像傳感器芯片可以工作于高速拍照的模式，從而獲得高速視頻信息。

圖4是法國Varioptic公司的液體變焦鏡頭示意圖。液體變焦鏡頭由法國Varioptic發(fā)明，其原理是將兩種液體固定在不同的容器中，再它們之間加裝一個金屬電極，電極中間注入導(dǎo)電液體，當(dāng)施加在電極上的電壓發(fā)生改變時，容器中的具有極性的水分子發(fā)生漂移，從是兩種液體容器中的液體形狀發(fā)生改變，根據(jù)變形的程度來改變焦距。最大特色是其具備幾乎是無限寬廣的變焦范圍，更快反映速度及更出色光學(xué)性能，可以應(yīng)用在可拍照手機、數(shù)碼相機以及PDA等等設(shè)備上。其電壓控制信號由3D CMOS圖像傳感器芯片可編程提供或者自動等間距提供。

3D新影像技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一的視覺圖像攝取器件的原理和實現(xiàn)方法。與傳統(tǒng)的3D視覺傳感器技術(shù)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)方便、價格低廉的優(yōu)點，便于便攜式多媒體設(shè)備的應(yīng)用，可以彌補目前3D傳感裝置的缺點。

制造業(yè)的未來是智能化，智能化的基礎(chǔ)就是傳感器；互聯(lián)網(wǎng)的方向是物聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)的基石也是傳感器；

《傳感器技術(shù)》匯編了一套各種傳感器的基礎(chǔ)知識，介紹了各種傳感器的原理。

責(zé)任編輯：PSY

原文標(biāo)題：3D視覺傳感技術(shù)

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