3D成像和傳感系統(tǒng)的基本設(shè)計注意事項

相機(jī)已經(jīng)徹底改變了智能手機(jī)、汽車、監(jiān)控和提供增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) （AR） 和虛擬現(xiàn)實(shí) （VR） 功能的小玩意兒?，F(xiàn)在，3D 傳感器通過同時實(shí)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(lǐng)潮流的手機(jī)現(xiàn)在正考慮采用支持 3D 感應(yīng)的面部識別技術(shù)，以確保生物識別技術(shù)用于移動支付、手勢感應(yīng)以及身臨其境的購物和游戲體驗(yàn)。

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(shù)的形式首次出現(xiàn)在數(shù)據(jù)通信中?？爝M(jìn)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(zhǔn)確面部識別的 Face ID 模塊，從而將 3D 傳感帶入了消費(fèi)領(lǐng)域。

Android 手機(jī)制造商紛紛效仿采用 3D 傳感技術(shù)，而像 ams 這樣的傳感器供應(yīng)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(jī)將能夠準(zhǔn)確計算房間的深度，識別虛擬游戲中的手勢，并在現(xiàn)實(shí)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(jī)將配備 3D 攝像頭。這些支持 3D 傳感器的智能手機(jī)將在促進(jìn) AR 功能等下一代交互式視覺體驗(yàn)方面發(fā)揮重要作用。

但是，雖然智能手機(jī)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(lǐng)域得到采用。

3D 傳感器基礎(chǔ)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(xì)圖像。這使得 3D 感應(yīng)相機(jī)解決方案成為掃描、深度感應(yīng)和面部識別應(yīng)用的關(guān)鍵組成部分。

有兩種主要技術(shù)用于以 3D 格式捕獲和呈現(xiàn)信息：結(jié)構(gòu)光和飛行時間 （ToF）。結(jié)構(gòu)光傳感系統(tǒng)投射一個活躍的點(diǎn)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(jié)構(gòu)光相機(jī)。

ToF 可能是 3D 傳感器中使用最廣泛的技術(shù)，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(guān)注，是因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)崿F(xiàn)設(shè)備小型化和能源效率。另一方面，結(jié)構(gòu)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(fù)責(zé)發(fā)射和反射紅外光強(qiáng)度的接收光學(xué)器件和像素靈敏度至關(guān)重要的 3D 傳感芯片組成。3D 傳感芯片，通常是 VCSEL 設(shè)備，充當(dāng)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(guān)鍵特征，并將其與存儲在系統(tǒng)中的用戶圖像進(jìn)行比較。如果兩個數(shù)據(jù)集匹配，智能手機(jī)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(yīng)用中的使用鋪平了道路。

3D 系統(tǒng)集成光學(xué)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(shù)在支持面部識別的移動支付、Animoji 創(chuàng)建以及增強(qiáng)和虛擬現(xiàn)實(shí)中的部署。

這就是 3D 傳感器供應(yīng)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(shè)計工作，以確保 ams 的 3D 光學(xué)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(xué)傳感系統(tǒng)采用紅外光投影儀來映射現(xiàn)實(shí)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(jié)合，使設(shè)計人員能夠避免與 3D 傳感軟件和硬件集成相關(guān)的開發(fā)風(fēng)險和時間。

來自 Himax Technologies的有源立體攝像頭 （ASC） 參考設(shè)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(yīng)解決方案針對 Android 智能手機(jī)的面部識別和安全在線支付。

Himax 與移動處理器供應(yīng)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(gòu)建的面部識別解決方案的中國開發(fā)商。ASC 參考設(shè)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(jī)視覺算法與 Himax 的投影儀、傳感器和激光驅(qū)動器相結(jié)合。

Himax 還與人工智能 （AI） 專家 Kneron 合作，將 3D 傳感器從智能手機(jī)擴(kuò)展到安全和監(jiān)控等應(yīng)用。在這里，Himax 正在用 Kneron 的 AI 處理器和面部識別算法補(bǔ)充其結(jié)構(gòu)光模塊 （SLiM） ，以將深度學(xué)習(xí)技術(shù)帶入網(wǎng)絡(luò)邊緣。

這使得該模塊能夠?yàn)楦鞣N應(yīng)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(jìn)的 3D 傳感應(yīng)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(shè)計最初是在智能手機(jī)領(lǐng)域推動的，但將面部識別等 3D 光學(xué)傳感技術(shù)引入智能手機(jī)需要十多年的時間?，F(xiàn)在，新一波 3D 傳感應(yīng)用程序已準(zhǔn)備好為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、3D 映射、機(jī)器人、無人機(jī)等提供動力。

這些光學(xué)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(jìn)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(jī)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(shè)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(yīng)用。

3D 傳感和成像革命已經(jīng)到來，它將擾亂許多市場?？纯?3D 傳感如何區(qū)分 iPhone X，以及 Android 手機(jī)如何在這方面努力實(shí)現(xiàn)平衡。物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員應(yīng)該注意，因?yàn)?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/2447/" target="_blank">嵌入式系統(tǒng)可能是一個類似的故事?！?/p>