深度傳感器的三種技術(shù)

目前人們?nèi)绻胩綔y(cè)環(huán)境深度信息，主要依賴于三種技術(shù)，分別是相機(jī)陣列， TOF（time of flight）技術(shù)，以及基于結(jié)構(gòu)光的深度探測(cè)技術(shù)。

結(jié)構(gòu)光：

接收器使用激光光源投射目標(biāo)物，檢測(cè)反射目標(biāo)物的變形，以基于幾何形狀計(jì)算深度圖。它必須掃描整個(gè)平面以獲得需要時(shí)間的深度圖，因此它是非常準(zhǔn)確的。但是，此方法對(duì)環(huán)境亮度敏感，因此通常僅在黑暗或室內(nèi)區(qū)域使用。

飛行時(shí)間（ToF）：

ToF 主要有兩種方法。第一個(gè)很簡單：激光源發(fā)出一個(gè)脈沖，傳感器檢測(cè)到該脈沖在目標(biāo)物體上的反射，以記錄其飛行時(shí)間。知道了光的恒定速度后，系統(tǒng)可以計(jì)算出目標(biāo)物體的距離。為了確保高精度，脈沖周期必須短，這導(dǎo)致較高的成本。另外，需要高分辨率的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，這會(huì)消耗很多功率。這種方法通常可以在高性能 ToF 傳感器中找到。

計(jì)算時(shí)間的另一種方法是發(fā)出調(diào)制光源并檢測(cè)反射光的相位變化。相變可以通過混合技術(shù)容易地測(cè)量。調(diào)制激光源比發(fā)出短脈沖更容易，并且混合技術(shù)比時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器更易于實(shí)現(xiàn)。此外，LED 可用作調(diào)制光源來代替激光。因此，基于調(diào)制的 ToF 系統(tǒng)適合于低成本 ToF 傳感器。

相機(jī)陣列：

攝像頭陣列方法使用放置在不同位置的多個(gè)攝像頭來捕獲同一目標(biāo)的多個(gè)圖像，并根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)計(jì)算深度圖。在計(jì)算機(jī)視覺中，這也稱為“立體視圖”或“立體”。最簡單但最受歡迎的相機(jī)陣列是雙相機(jī)，其中兩個(gè)相機(jī)相隔一定距離以模仿人眼。對(duì)于空間中的每個(gè)點(diǎn)，在兩個(gè)攝像機(jī)圖像中的位置均出現(xiàn)可測(cè)量的差異。然后，通過基本幾何來計(jì)算深度。

相機(jī)陣列的主要挑戰(zhàn)是如何在多個(gè)圖像中找到匹配點(diǎn)。匹配點(diǎn)搜索涉及復(fù)雜的 CV 算法。目前，深度學(xué)習(xí)可以幫助您找到準(zhǔn)確度較高的匹配點(diǎn)，但是其計(jì)算成本很高。另外，有很多點(diǎn)很難找到匹配點(diǎn)。例如，在上面的瓦格納雕像的兩個(gè)視圖中，鼻子是最容易匹配的點(diǎn)，因?yàn)樗奶卣饕子谔崛『捅容^。但是，對(duì)于面部的其他部分（尤其是面部無紋理的表面），很難找到匹配點(diǎn)。當(dāng)兩個(gè)相機(jī)圖像的遮擋不同時(shí)，匹配會(huì)更加復(fù)雜。目前，相機(jī)陣列作為深度傳感器的魯棒性仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。

三種深度感測(cè)技術(shù)的對(duì)比

整體表現(xiàn)

對(duì)于深度感測(cè)，最重要的指標(biāo)是深度精度。結(jié)構(gòu)光具有最佳的深度精度性能，而相機(jī)陣列往往具有最大的深度誤差。

就深度感測(cè)范圍而言，結(jié)構(gòu)光的范圍最短，而 ToF 的范圍取決于光源的發(fā)射功率。例如，智能設(shè)備可能只需要幾米的距離，而自動(dòng)駕駛汽車則需要幾百米。同樣，攝像機(jī)陣列的測(cè)量范圍取決于兩個(gè)攝像機(jī)之間的空間。對(duì)于常規(guī)攝像機(jī)陣列，最佳性能測(cè)量范圍通常在 10m 左右，盡管也顯示了某些具有極窄空間的特殊攝像機(jī)陣列可以在 1m 左右測(cè)量深度。

對(duì)于深度圖分辨率，結(jié)構(gòu)光的性能優(yōu)于 ToF，因?yàn)榭梢跃_控制結(jié)構(gòu)發(fā)光圖案并精確捕獲其反射圖案。從理論上講，攝像機(jī)陣列具有良好的分辨率，但這是基于兩個(gè)圖像中的完美點(diǎn)匹配。使用非理想的點(diǎn)匹配（如光滑表面）時(shí)，分辨率會(huì)降低。

最后，我們需要考慮對(duì)環(huán)境亮度的限制。結(jié)構(gòu)光需要黑暗的環(huán)境，而 ToF 傳感器由于快速發(fā)展的背景消除技術(shù)而可以承受更大范圍的環(huán)境亮度。對(duì)于攝像機(jī)陣列，明亮的環(huán)境效果最佳。在黑暗的房間中，相機(jī)陣列捕獲的圖像會(huì)變得嘈雜，并且對(duì)比度變差，因此點(diǎn)匹配變得極為困難，從而導(dǎo)致深度估計(jì)不準(zhǔn)確。

成本

攝像機(jī)陣列的成本通常最低，其開發(fā)工作主要在軟件方面。雙攝像頭解決方案已經(jīng)廣泛應(yīng)用于許多智能設(shè)備和移動(dòng)電話中。ToF 傳感器的成本適中，而結(jié)構(gòu)光的成本最高。但是，隨著 ToF 的批量生產(chǎn)，預(yù)計(jì)其成本在不久的將來會(huì)大大降低。

可擴(kuò)展性

通過展望這些技術(shù)的潛力，我們可以更好地利用它們來滿足未來的需求。

ToF 是半導(dǎo)體技術(shù)，并且具有最佳的可伸縮性。它的深度精度可以通過片上時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器 / 混合電路進(jìn)行縮放，其深度圖分辨率可以通過傳感器尺寸進(jìn)行縮放，其測(cè)量范圍可以通過光源功率 / 調(diào)制方案進(jìn)行縮放，并且其功耗可以通過用半導(dǎo)體技術(shù)擴(kuò)展規(guī)模。

另一方面，結(jié)構(gòu)光具有不錯(cuò)的可伸縮性。光學(xué)系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)光的關(guān)鍵組成部分，光學(xué)系統(tǒng)可以隨著封裝技術(shù)而擴(kuò)展（盡管不如半導(dǎo)體快）。

最后，縮放攝像機(jī)陣列主要依賴于軟件：我們將需要更好的算法來縮放其深度感應(yīng)性能。它更像是一個(gè)數(shù)學(xué)問題，而不是工程問題，而改進(jìn)硬件并沒有太大幫助。即使使用分辨率更高的相機(jī)，點(diǎn)匹配問題仍然存在。

建議僅使用結(jié)構(gòu)光來執(zhí)行生物識(shí)別任務(wù)，因?yàn)樗哂凶罴训纳疃染?。游戲?yīng)用需要中等深度分辨率和快速響應(yīng)，因此 ToF 傳感器似乎是最合適的。對(duì)于其他應(yīng)用程序（包括定位，識(shí)別，測(cè)量和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)），所有技術(shù)都可以做到，但是某些技術(shù)比其他技術(shù)更適合特定的應(yīng)用場景。例如，相機(jī)陣列可能最適合在需要深度測(cè)量范圍的開放空間中的 AR 應(yīng)用，而 ToF 傳感器最適合可以控制環(huán)境亮度的室內(nèi) AR.

審核編輯 黃昊宇