3D深度感測(cè)的原理和使用二極管激光來(lái)實(shí)現(xiàn)深度感測(cè)的優(yōu)勢(shì)

本文介紹了3D深度感測(cè)的原理和使用二極管激光來(lái)實(shí)現(xiàn)深度感測(cè)的優(yōu)勢(shì)。

世界是三維的。這句話如此容易理解，以至于大多數(shù)人從未懷疑過(guò)自己感知世界的方式。但事實(shí)上，人的每只眼睛每次可捕獲一幅平面圖像，就像相機(jī)一樣。根據(jù)雙眼捕獲的兩幅平面圖像形成3D感知，這個(gè)神奇的過(guò)程只會(huì)發(fā)生在人的大腦中。

如今，我們?cè)絹?lái)越需要數(shù)字系統(tǒng)與 3D 世界交互——無(wú)論是解讀手勢(shì)控制、進(jìn)行面部識(shí)別，還是讓汽車進(jìn)行自動(dòng)駕駛。為了完成這些任務(wù)，我們需要至少給數(shù)字系統(tǒng)賦予人類的一些深度感知能力。

01 深度感測(cè)

數(shù)位成像領(lǐng)域使用兩種基本的 3D（深度）感測(cè)方法：三角測(cè)量和飛行時(shí)間 （time-of-flight，ToF） 測(cè)量。這兩種技術(shù)有時(shí)甚至結(jié)合使用。

三角測(cè)量基于幾何學(xué)。雙眼視覺(jué)是三角測(cè)量的一種形式，是人類 3D（立體）視覺(jué)的工作方式。人的雙眼呈水平分開(kāi)。這意味著兩只眼睛分別從略微不同的角度看世界。這種角度差異會(huì)產(chǎn)生視差，即，物體相對(duì)于背景的位置會(huì)根據(jù)你用哪只眼睛看而發(fā)生偏移。然后，大腦利用這些視差信息來(lái)感知視野范圍內(nèi)物體的深度（距離），并產(chǎn)生對(duì)視野的 3D 感知。

然而，立體視覺(jué)可能依賴于照明條件，且需要獨(dú)特的紋理表面。這導(dǎo)致難以可靠地實(shí)現(xiàn)立體視覺(jué)。相反，計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)使用三角測(cè)量的另一種形式，依賴于結(jié)構(gòu)光?！敖Y(jié)構(gòu)光”這個(gè)名稱聽(tīng)起來(lái)很深?yuàn)W，其實(shí)就是指將圖案（例如，一系列線條或無(wú)數(shù)光點(diǎn)）投射到物體上，并從略微不同的角度分析圖案的畸變程度。相較于重建真實(shí)的雙眼視覺(jué)，這種方法對(duì)處理能力的要求低很多，而且使計(jì)算機(jī)能夠快速計(jì)算深度信息并重建 3D 場(chǎng)景。

在其中一種形式的三角測(cè)量深度感測(cè)技術(shù)中，結(jié)構(gòu)光圖案被投射在場(chǎng)景中，再由成像系統(tǒng)分析圖案的畸變程度，以獲得照明區(qū)域的深度信息

三角測(cè)量法在處理表面的高分辨率繪圖方面具有優(yōu)勢(shì)。這種方法在短距離應(yīng)用中效果最佳，因此對(duì)于面部識(shí)別等任務(wù)非常有用。

飛行時(shí)間 （ToF） 成像技術(shù)有兩種不同的形式。在“直接飛行時(shí)間”（direct Time-of-Flight，dToF）技術(shù)中，場(chǎng)景被光脈沖照亮，系統(tǒng)會(huì)測(cè)量光脈沖反射回來(lái)所需的時(shí)間。由于光速是已知的，因此這個(gè)回程時(shí)間可直接轉(zhuǎn)換為距離。如果針對(duì)圖像的每個(gè)像素獨(dú)立進(jìn)行這項(xiàng)計(jì)算，即可得出場(chǎng)景中每個(gè)點(diǎn)的深度值。

ToF 技術(shù)的第二種形式是“間接飛行時(shí)間”（indirect Time-of-Flight， iToF）。在 iToF 技術(shù)中，照明光源是連續(xù)的調(diào)變信號(hào)。系統(tǒng)會(huì)在返回光中測(cè)量這種調(diào)變模式的相移。這樣可提供用于計(jì)算物體距離的數(shù)據(jù)。

ToF 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠快速完成大面積和長(zhǎng)距離的測(cè)量。這使它非常適合虛擬實(shí)境頭戴式裝置中的房間掃描或機(jī)器人導(dǎo)航中的障礙物檢測(cè)等任務(wù)。

直接飛行時(shí)間感測(cè)光脈沖的往返行程時(shí)間，并將測(cè)得的時(shí)間轉(zhuǎn)換為距離

02 3D感光源要求

光源的特性是決定三角測(cè)量和ToF 3D感測(cè)方法的有效性和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。每種應(yīng)用都有獨(dú)特的照明要求，但也有某些共同需求。

三角測(cè)量光源還需要具有穩(wěn)定的光束指向特性。這種特性的任何波動(dòng)都可能導(dǎo)致深度測(cè)量不準(zhǔn)確。

ToF系統(tǒng)要求光源能夠發(fā)射精確的短光脈沖（dToF）或可進(jìn)行高頻調(diào)變的連續(xù)輸出（iToF）。要進(jìn)行準(zhǔn)確的距離測(cè)量，精確且升降時(shí)間很短的脈沖時(shí)間和調(diào)變頻率至關(guān)重要。

ToF 系統(tǒng)（尤其是使用泛光照明來(lái)覆蓋大面積或長(zhǎng)距離的系統(tǒng)）通常需要比三角測(cè)量系統(tǒng)更高的輸出功率。這可確保返回光具有足夠的強(qiáng)度，能被檢測(cè)到，并確保系統(tǒng)在有強(qiáng)烈環(huán)境光的情況下能夠正常運(yùn)行。

隨著輸出功率的提高，對(duì)功率效率（光輸出功率與輸入電功率之比）的需求變得更加重要。對(duì)于便攜式設(shè)備（由電池供電），效率尤其重要。

03 激光幫助實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的深度感測(cè)

二極管激光比任何其他光源都能更好地滿足這些要求（對(duì)于三角測(cè)量和TOF感測(cè)）。早就有一些3D感測(cè)應(yīng)用部署了發(fā)光二極管（Light emitting diode， LED），因?yàn)長(zhǎng)ED容易獲得且成本相對(duì)較低。但隨著對(duì)3D感測(cè)系統(tǒng)性能和效率的需求不斷提高，LED變得不太符合要求。

其中一個(gè)原因是，二極管激光具有幾個(gè)獨(dú)特的特性：光譜輸出窄、光束相干性、亮度高。這些特性使二極管激光非常適用于創(chuàng)建精確、高對(duì)比度、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)化光圖案。

由于激光的光譜輸出窄，使得可以輕而易舉地在檢測(cè)系統(tǒng)中過(guò)濾掉環(huán)境光。這樣可提高各種感測(cè)系統(tǒng)在明亮的陽(yáng)光下或其他光線充足的場(chǎng)景中的性能。

二極管激光具有更高亮度，這可進(jìn)一步提高返回信號(hào)的功率。特別是對(duì)于TOF應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這意味著更短的光閘時(shí)間、更高的幀速率，以及能夠更敏銳地看到反射性不高的物體。同樣，這將會(huì)提高系統(tǒng)在光線充足的場(chǎng)景中的性能。由于強(qiáng)度較低，因此LED難以實(shí)現(xiàn)同樣水平的細(xì)節(jié)分辨率和深度分辨率。

此外，與LED相比，二極管激光在功耗和尺寸方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。二極管激光外形小巧，而又能夠發(fā)射強(qiáng)信號(hào)，因此成為了由電池供電的小型設(shè)備的理想之選。

最后，二極管激光的切換或調(diào)變速率比LED快得多。這種快速調(diào)變使得可以采用準(zhǔn)確性更高的先進(jìn)ToF技術(shù)。