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可测深度摄像头TOF Camera原理是什么？有哪些具体应用？
技术,镜头,结构可测深度摄像头TOF Camera原理是什么？有哪些具体应用？
发布时间：2016-12-08加入收藏来源：互联网点击：
问题补充： 微软的Project Natal上摄像头为何没有在科研中广泛应用？请问监视摄像头运用这种技术岂不是可以更准确检验出目标了？对于计算机视觉，人类通过双眼的的合成影像可以判断事物的远近，那么增加深度检测功能对于摄像头来说是不是很重要，这样才能通过计算机视觉模拟人类视觉？
回答于 2019-09-11 08:43:50
回答于 2019-09-11 08:43:50
你好，科技一杆枪为您解疑答惑。
我们发现，现在推出的品牌智能手机往往都搭载了一颗3D深感摄像头，也叫TOF镜头、景深镜头。这种深感摄像头其实利用的是3D成像技术，不仅用在手机端，同样在智能汽车的自动驾驶上、需要人脸识别的场景下、以及制作电影特效捕捉等领域发挥着重要作用。那么什么是3D深感摄像头呢？又起到什么作用呢？
3D深感成像传感技术
当前主流的3D成像传感技术主要有三类：双目立体视觉技术、结构光技术和TOF飞行时间技术，他们有各自的优缺点及适用范围。
1、双目立体视觉（Binocular Stereo Vision）
这种技术灵感源自人类的双眼，是一种利用视差原理来获取空间深度感知，从而进行3D成像的技术。我们知道人的两只眼睛看到的物体是存在一定差别的，假设是两张图像，双目立体视觉就利用这种视差，用两个摄像机来捕捉图像，建立特征点在两张图像之间的对应关系，进而绘制出特征点在三维空间内的位置。见下图：
双目立体视觉原理
双目立体视觉技术原理简单，成本较低，近些年在机器人视觉系统中应用较为广泛，同时在测绘、医疗成像和工业检测等领域中也有着不同程度的应用。但是它的缺点也很明显，双目成像无法获知目标点准确的深度距离，精度较差，所以在智能手机端并没有应用。
2、结构光技术（structured light）
结构光的意思就是将光线结构化，使其具有一定的结构特征。这里面需要用到红外激光发射器和采集摄像机，激光器发出的光经过预定的光栅或者其他设备产生出结构特征的光线，投射向被测向物体表面，再由一组或多组摄像头采集被测物体的表面获取图像信息，由计算机系统对采集的信息进行深入处理成像。
结构光技术原理
相比于双目视觉技术来讲，结构光可以得到准确的距离信息，优势在于效率高、低能耗、成像分辨率高，适合静态场景的应用，所以广泛应用在人脸识别和人脸支付等场景。结构光技术的缺点是覆盖距离太短，识别深度在1.2米以内，故而可以应用在手机前置自拍上，比如iPhone X的摄像就采用了结构光技术。
3、飞行时间技术（Time Of Flight）
飞行时间技术顾名思义就是说测量光在空中飞行的时间的技术，是指由TOF传感器向目标物体发射经调制的脉冲型近红外光，在被物体反射后，再由TOF传感器接收反射回的光线，通过计算光线发射和反射时间差或相位差，来确定被拍摄物体和镜头、环境之间的距离，以产生深度信息，再结合计算机处理来呈现三维影像。
飞行时间TOF原理
TOF可能是大众了解度较高的技术，主要是得益于它在手机摄像头上的大量应用。TOF技术相对来说，具有测量精度高、刷新率fps高、抗干扰性强、覆盖范围远等优点，成像识别距离可以达到5米左右，比结构光技术远得多，并且在捕捉动态成像上表现出色。这也是它在手机摄像矩阵中占据一席的原因之一，除此以外，TOF技术还应用在扫描成像、VR/AR等领域。
TOF深感镜头测距原理
以上三种技术最有前景的当属TOF技术，很多厂商也在从双目、结构光技术向TOF技术转变，下面就以TOF技术展开讲解。前面说了飞行时间技术的基本过程，那么它应用在移动端的3D深感镜头又是如何工作的呢？
1、TOF深感镜头基本结构
一套TOF深感镜头包括光源、光电探测器、脉冲发射单元和逻辑处理器。光源通常采用红外线，脉冲装置多用是让光源可以连续不断的发射调制的红外光，照射到目标物体上，并接收源源不断的反射光线。
TOF镜头测距示意图
2、光的飞行时间如何测量
我们根据速度公式：c=d/t，c为光速，d为距离，t为时间。那么我们测量出光线在发出及返回之间使用的时间，再乘以光速就是距离。
但是我们知道光的速度是3x10^8m/s，对于这么快的光速，那么对时间的测量精度就需要达到皮秒级，这就要求电子计时器要有数百GHz的时钟频率。这么高的频率和精度使得测量器件制造成本和难度都很大，所以我们寻求了一种低频率测量的方法。
我们再来看另一个速度公式：c=λ，c仍然是光速，λ是波长，是频率。现在，我们将光源调制成正弦脉冲波，当光波遇到目标物体后发生反射，再用传感器来接收反射回来的正弦波，这时正弦波形会产生一定的相位偏移，而这个相位偏移就可以用来计算波形传播的距离。
光在发射及返回后发生相位移
以上图来辅助说明，就是调制频率，蓝线表示发出时的光波函数，红线表示返回时的光波函数，它们之间产生了相位角差值φ，那么利用相位角配合公式：d=c·φ/4π就可以算出物体和TOF深感镜头的距离了。
3、手机端TOF镜头实例
根据这个原理，除了拍照，华为手机已经集成了深感镜头的测距功能，看下面这个例子，我们通过手机来聚焦一副眼镜，完成后点击中间的圆点就可以开始测量，选择起点和终点，手机就能显示出被测点之间的长度。
手机TOF镜头测距实例
深感摄像头的应用及前景
根据咨询机构的统计预测，得益于手机终端等电子设备的科技发展，和数码消费的火爆市场，可全球3D成像与传感的市场规模到2022年将达到90亿美元，而这一数字在2016年才13亿美元。CAGR即复合年均增长率能达到近38%。
全球3D成像与传感市场增长趋势
前面说的3种深度感知成像技术在军事、工业、医疗、汽车、家居等方面都有着大量的应用，下面讲解几个跟大家平时使用较为密切的应用，比如：
1、人脸识别、动作识别
如苹果公司的产品iPhone X的前置摄像头就是搭载了结构光技术，可以在近距离下识别手势动作和人脸，是一种便捷又安全的识别模式，支持用来进行人脸支付或解锁等操作。
除了识别人脸，还能识别手势、动态，比如捕捉动作的体感游戏，还有用手势控制智能家电的开关、亮度。
2、配合手机相机功能
如今华为、OPPO等手机厂商的相机功能已经越来越“浮夸”，都是高清主摄+超感光+超广角+长焦+景深镜头，这里的景深镜头就是TOF深感摄像头，得益于集成电路和电子传感器的突破技术，现在TOF技术也可以做的很小，集成到手机里，并实现较远距离的拍摄。
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