淺析3D成像技術(shù)的分類(lèi)和原理

3D成像工作原理和分類(lèi)

3D成像技術(shù)按照工作原理，首先分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩類(lèi)。

被動(dòng)式視覺(jué)效仿生物的雙眼視覺(jué)（binocular vision）原理，由至少2枚圖像傳感器（image sensor）構(gòu)成，運(yùn)用其觀測(cè)對(duì)象在每個(gè)圖像傳感器單獨(dú)成像的位置，結(jié)合2枚圖像傳感器的相對(duì)物理位置，根據(jù)幾何關(guān)系測(cè)量原理，可以計(jì)算出景深（depth）。請(qǐng)注意，景深和距離是不同的概念，如下圖1所示。

雙目視覺(jué)系統(tǒng)的核心在于關(guān)聯(lián)同一觀測(cè)點(diǎn)在各自圖像傳感器中的坐標(biāo)位置，如上圖1的左圖所示。然而，在實(shí)際使用中，由于受到外部環(huán)境和拍攝對(duì)象表面紋理屬性等客觀因素影響，特征點(diǎn)自動(dòng)匹配在算法上較為復(fù)雜，匹配精度也直接影響到景深計(jì)算精度，影響系統(tǒng)整體效果。

主動(dòng)式視覺(jué)系統(tǒng)則由于其工作原理的不同，有效解決了這一問(wèn)題。

主動(dòng)式視覺(jué)系統(tǒng)利用獨(dú)立的人工光源，主動(dòng)投射到觀測(cè)對(duì)象來(lái)測(cè)量景深。主動(dòng)式視覺(jué)根據(jù)投射光源和景深技術(shù)原理的不同，又分為三小類(lèi)：三角測(cè)距法、結(jié)構(gòu)光法、飛行時(shí)間法。如下圖2所示。下面做詳細(xì)介紹：

（1）三角測(cè)距法（triangular）

三角測(cè)距法是利用投射光源、觀測(cè)對(duì)象和接收?qǐng)D像傳感器的空間位置，利用三角幾何學(xué)計(jì)算景深的方法。此方法是眾多主動(dòng)式3D景深視覺(jué)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)算法。

（2）結(jié)構(gòu)光法（structured light）

結(jié)構(gòu)光法可以認(rèn)為是針對(duì)在被動(dòng)式視覺(jué)系統(tǒng)中特征點(diǎn)匹配問(wèn)題的對(duì)策性方案。如下圖 3所示，結(jié)構(gòu)光的含義是主動(dòng)光源通過(guò)特定圖案編碼投射到被測(cè)物體，例如將分布較密集的均勻光柵投影到被測(cè)物體上面，由于被測(cè)物體表面的不規(guī)則性具有的不同深度，反射到圖像傳感器的光柵條紋會(huì)有所變形，這個(gè)過(guò)程可以看作是由物體表面的深度信息對(duì)光柵的條紋進(jìn)行了調(diào)制。通過(guò)對(duì)比圖像傳感器接收到的發(fā)生畸變的光柵圖案和原生圖案，就可以解析出每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的深度信息，形成深度點(diǎn)云（point cloud），即深度幀（depth frame）。

需要說(shuō)明的是，結(jié)構(gòu)光法按投射方式還可分為點(diǎn)、線、面三種方式。按照?qǐng)D案編碼方式亦可分為時(shí)間編碼、空間編碼和直接編碼（如灰度編碼）。這些技術(shù)皆為提高編碼圖案的解調(diào)抗干擾性，以及更快獲取深度點(diǎn)云而采取的不同技術(shù)手段，如下表1所示。目前，在移動(dòng)終端領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)光編碼以靜態(tài)編碼為主。

（3）飛行時(shí)間法（time of flight）

飛行時(shí)間又稱(chēng)TOF，簡(jiǎn)要來(lái)說(shuō)，是基于測(cè)量投射的光源信號(hào)發(fā)射與接收之間的時(shí)間差，計(jì)算出景深或距離的一種景深計(jì)算方法。

TOF根據(jù)如何測(cè)量時(shí)間差又可細(xì)分為脈沖波測(cè)距和連續(xù)波測(cè)距。脈沖波測(cè)距原理是直接測(cè)量脈沖信號(hào)發(fā)射和接收的時(shí)間差；連續(xù)波測(cè)距則是通過(guò)連續(xù)發(fā)射整數(shù)波長(zhǎng)，通過(guò)計(jì)算接收波與發(fā)射波之間的相位差，間接計(jì)算時(shí)間差，如下圖 4所示。

具體來(lái)說(shuō)，脈沖波測(cè)距多用于工業(yè)測(cè)繪領(lǐng)域等大范圍遠(yuǎn)距離場(chǎng)景，其使用的光源也以激光為主。對(duì)于手機(jī)終端設(shè)備而言，由于使用場(chǎng)景和功耗，意味著目標(biāo)對(duì)象與鏡頭的距離在十米、百米以?xún)?nèi)，所以手機(jī)終端上使用的TOF預(yù)計(jì)將以連續(xù)波相位測(cè)距技術(shù)為主。

就目前而言，結(jié)構(gòu)光與TOF是主動(dòng)景深視覺(jué)系統(tǒng)的主流技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。結(jié)構(gòu)光技術(shù)較為成熟，組件集成度高，目前蘋(píng)果iPhone X已采用結(jié)構(gòu)光技術(shù)；TOF由于直接測(cè)量景深/距離，在響應(yīng)速度和量程兩方面具有先天技術(shù)優(yōu)勢(shì)，加上Google、Microsoft等國(guó)際一流企業(yè)的站臺(tái)背書(shū)，技術(shù)前景光明。

需要說(shuō)明的是，主動(dòng)式3D景深視覺(jué)系統(tǒng)在持續(xù)發(fā)展中開(kāi)始借鑒被動(dòng)雙目視覺(jué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，即通過(guò)引入2枚圖像傳感器（active stereo vision），利用圖像傳感器之間空間位置關(guān)系，以及雙路光源發(fā)射器到圖像傳感器的光源運(yùn)動(dòng)軌跡，達(dá)到更高精度的景深信息。例如，Intel最新發(fā)布的D400 Series景深攝像模塊就是采用該技術(shù)的代表。

3D成像和傳感市場(chǎng)概況

前文介紹了3D景深成像系統(tǒng)的工作原理。那么，3D成像技術(shù)是否存在市場(chǎng)需求？3D成像技術(shù)距離全面普及還有多久呢？我們可以從以下幾個(gè)維度來(lái)尋找答案。

（1）VCSEL市場(chǎng)增長(zhǎng)情況

VCSEL激光器作為3D景深成像系統(tǒng)的核心部件，在消費(fèi)電子領(lǐng)域的市場(chǎng)趨勢(shì)可以間接反映其3D景深市場(chǎng)需求和未來(lái)發(fā)展情況。如下圖5所示，根據(jù)Yole預(yù)計(jì)，隨著2017年iPhone X首次引入結(jié)構(gòu)光主動(dòng)式3D成像系統(tǒng)，VCSEL整體市場(chǎng)將以CAGR 48%的增速飛速增長(zhǎng)，在消費(fèi)電子領(lǐng)域，VCSEL市場(chǎng)大小從2017年的1.65億美元攀升至2023年的31億美元，增長(zhǎng)幅度接近30倍。

（2）3D成像市場(chǎng)增長(zhǎng)情況

據(jù)Yole預(yù)測(cè)，3D成像和傳感市場(chǎng)整體增長(zhǎng)速度為CAGR 44%，在消費(fèi)電子領(lǐng)域?qū)?huì)以CAGR 82%的速度高速增長(zhǎng)，到2023年達(dá)到138億美元，如下圖6所示。

（3）3D景深在終端手機(jī)的占有率情況

主動(dòng)式視覺(jué)系統(tǒng)由于其技術(shù)先進(jìn)性，將會(huì)逐漸替代被動(dòng)式雙目視覺(jué)系統(tǒng)，逐漸被手機(jī)終端廠商采用。目前在3D成像領(lǐng)域，根據(jù)其結(jié)構(gòu)光和TOF技術(shù)的特性，一個(gè)較為共識(shí)的預(yù)測(cè)是基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的3D成像將作為手機(jī)前置攝像頭被采用，而TOF技術(shù)則將會(huì)在后置攝像頭更有前景。

目前蘋(píng)果作為手機(jī)終端高新技術(shù)的引領(lǐng)者，同時(shí)占據(jù)3D成像產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)一級(jí)供應(yīng)商的供貨渠道，預(yù)計(jì)將繼續(xù)領(lǐng)先安卓手機(jī)廠商1-2年時(shí)間率先部署3D景深攝像頭，如下圖7所示。

根據(jù)拓墣產(chǎn)業(yè)研究院分析，全球智能手機(jī)3D感測(cè)滲透率今年將從2017年的2.1%上揚(yáng)至13.1%，蘋(píng)果仍將是主要采用者。另?yè)?jù)其估計(jì)，2018年全球搭載3D感測(cè)模組的智能手機(jī)生產(chǎn)總量將達(dá)1.97億支，其中iPhone占據(jù)1.65億支。此外，2018年的3D感測(cè)模組市場(chǎng)產(chǎn)值預(yù)估約為51.2億美元，其中由iPhone貢獻(xiàn)的比重高達(dá)84.5%。預(yù)計(jì)至2020年，整體產(chǎn)值將達(dá)108.5億美元，而2018-2020年間的復(fù)合年均增長(zhǎng)率將達(dá)到45.6%。

綜上所述，筆者認(rèn)為，3D主動(dòng)式景深成像技術(shù)將在未來(lái)2-3年內(nèi)加速普及，倘若上游供應(yīng)商有能力跟上安卓手機(jī)廠商的出貨量水平，為其提供優(yōu)質(zhì)的芯片、模組和解決方案，其普及速度會(huì)更快。