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与结构光及双目立体视觉相比,ToF技术有何优势?

时间:2019-12-17 作者:廖均 阅读:
飞行时间ToF(Time of Flight)、结构光及双目立体视觉技术是当前3D成像与传感的三种主流技术。与结构光和视觉技术相比,ToF技术更小巧、更便宜、更耐用。

3D技术无处不在。1WMednc

从VR、AR到SLAM,3D技术是连接现实世界和虚拟世界的桥梁。1WMednc

根据咨询机构Yole Développement的预测,受益于消费电子市场可预见的爆发式增长,全球3D成像与传感的市场规模将从2016年的13亿美元增长至2022年的90亿美元,复合年均增长率(CAGR)达到38%。1WMednc

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图1:2011-2022年全球3D成像与传感市场收入预测。1WMednc

飞行时间ToF(Time of Flight)与结构光(Structured Light)、双目视觉技术(Stereo Vision)一起,共同组成了当前3D成像与传感的三条主流技术路线。其中3D结构光方案最为成熟,并被大规模应用于工业3D视觉,ToF则凭借自身优势成为在移动端较被看好的方案。1WMednc

ToF有何优势?

目前能够接触到的实现3D方案的一种技术手段,是模仿人的双目,因此手机的发展趋势是从单目到摄像头越来越多。“我们为什么有这样的发展呢?”在ADI中国25周年媒体技术日上,ADI系统应用工程经理李佳女士说,“手机单目无法满足我们一些应用的开发,因此手机开发者会使用更多的摄像头来模拟深度场景,我们看到最大的转变就是由单摄变成双摄,即模拟人的双眼,实现深度信息的提取。”1WMednc

双目立体视觉(Binocular Stereo Vision)技术始于上世纪的60年代中期,是基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像,通过计算图像对应点间的位置偏差,来获取物体三维几何信息的方法。经过几十年来的发展,立体视觉在机器人视觉、航空测绘、反求工程、军事运用、医学成像和工业检测等领域中的运用越来越广。1WMednc

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图2:几种类型的3D技术。(图片来源:《国际电子商情》)1WMednc

双目立体视觉实现的方式比较简单,也比较接近人类的感知。但是它有一个较大的缺点,即不能很精准地提取到深度数据。比如,我们没有办法通过双目知道某物体距离我们几米或者几厘米远。双目立体成像系统在场景缺乏特征时,还经常会受到性能下降的困扰,因此未被应用在智能手机成像中。例如,在面对墙壁平坦光滑的表面的情况下,立体成像系统捕获的 3D 信息通常不完整或不准确。1WMednc

这就引入到另外一种3D技术,即3D结构光。这种技术通过近红外激光器向物体投射具有一定结构特征的光线,由专门的红外摄像头采集获取物体的三维结构,再通过运算对信息进行深入处理成像。结构光对比双目来讲,可以得到准确的距离信息,仅需一次成像就可得到深度信息,具备低能耗、高成像分辨率的优势,能够在安全性上实现较高保证,因此被广泛应用于人脸识别和人脸支付等场景。但结构光技术识别距离较短,只适用于近距离,大约在0.2米到1.2米之间,使其应用局限于手机前置摄像。1WMednc

TOF(Time of Flight)技术是2018年才被应用到手机摄像头的3D成像技术,其通过向目标发射连续的特定波长的红外光线脉冲,再由特定传感器接收待测物体传回的光信号,计算光线往返的飞行时间或相位差,从而获取目标物体的深度信息。TOF镜头主要由发光单元、光学镜片及图像传感器构成。其识别距离可达到0.4米到5米。TOF技术具备抗干扰性强、FPS刷新率更高的特性,因此在动态场景中能有较好表现。另外TOF技术深度信息计算量小,对应的CPU/ASIC计算量也低,因此对算法的要求更低。1WMednc

虽然ToF存在一些技术缺点,比如3D成像精度和深度图分辨率相对较低,功耗较高等,但相比结构光以双目技术,其适配范围更广,从近距离覆盖到了更远的远距离,并且它也可以提取到很准确的深度信息。1WMednc

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图3:ToF技术的原理及优势。(图片来源:ADI1WMednc

李佳总结ToF具有下面的技术优势:1WMednc

  • 高量子效率CCD方案@940nm光波长,具有良好的室外性能
  • 可以解决同一场景多机相互干扰问题
  • 高分辨率
  • 低功耗
  • 窄脉冲高速全局曝光噪声干扰小
  • 探测距离远

李佳提到,“目前很多的应用厂商已经从双目、结构光慢慢转到ToF技术上,这就是为什么ADI在ToF领域有持续投资的原因。”1WMednc

ToF应用前景广阔

ToF技术弥补了的距离上的缺陷,由于能够支持更远的作用距离,可应用于包括3D人脸识别、3D建模以及手势识别、体感游戏、AR/VR在内的多种场景中。此外,相比结构光技术,ToF的模组复杂度低,堆叠简单,可以做到非常小巧且坚固耐用,在屏占比不断提高的外观趋势下,也得到手机厂商的青睐。1WMednc

李佳介绍了ADI的ToF方案在汽车、金融、工业、消费等行业中的落地应用。1WMednc

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图4:ToF技术应用于车载领域。图片来源:ADI1WMednc

在车载领域,ADI ToF分为三大方向:一个是车内传感器,它的适配距离是40到200cm,主要用于手势操控、驾驶员跟副驾驶以及乘客体态的监控。现在欧洲一些车厂已经把这样规定作为一个标准,在发生意外的时候,保险公司需要查看当时的司机或者乘客的即时状况。1WMednc

第二个是车外近距离应用,比如B柱人脸解锁方案,不用钥匙而是用人脸进行解锁。第三个,也是ToF相对于其它应用方案最大的特点,即可以探测远距离应用,即从ToF方案拓展到车外的辅助驾驶。目前ADI的ToF可以实现20米的探测距离。1WMednc
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在金融行业,为实现人脸支付这种比较敏感、对安全性要求比较高的功能,必须引入3D技术。因为二维数据存在安全隐患,使用3D技术进行活体采集,确保生物识别,而不是一张简单的照片。1WMednc

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图5:ToF技术应用于人脸支付。图片来源:ADI1WMednc

ToF还有一个非常重要的应用领域是体积测量,因为在体积测量的时候,除了2D信息,还需要知道深度数据,即长、宽、高的数据。利用ToF的3D技术,可以快速采集三维信息,从而快速计算出包裹的体积。1WMednc

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图6:ToF技术应用于物流。图片来源:ADI1WMednc

结语

ToF传感器优于结构光和立体视觉。首先,ToF只有两个部件,结构光和立体视觉则有3到4个。此外,ToF无需基线,确保了小巧的外形,无需基线校准,同时还提高了耐用性,降低了生产成本。最后,ToF还无需使用复杂的图像识别算法,节省了大量功耗。简言之,与其它3D技术相比,ToF技术更小巧、更便宜、更耐用。1WMednc

未来大多数智能手机都将配备一到两个3D摄像头,3D人脸认证将成为安全移动支付的事实标准,而逼真的增强现实技术将把手机游戏推向新阶段。1WMednc

不仅如此,ToF技术还将在智能工厂和智能家居中得到应用,比如家用电器中,需要用到清晰障碍物图像的扫地机。此外,该技术还能用于建筑物,甚至私人住宅的门禁系统。1WMednc

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廖均
电子技术设计(EDN China)产业分析师
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