3D感知和建模关键硬件技术：双目、3D结构光和TOF

无论VR、AR和3D打印，其核心技术包含3D成像和建模。

而3D建模属于劳动密集型的工作，耗时耗力，凡这类工作都会是被新技术革命的地方，自动3D建模技术就是为了解决这样的产业瓶颈。

而自动3D建模的一个技术前提是需要设备（如手机或专业的3D扫描仪）能够有效（高精度且快速）感知3D景深。

这就引出了本文的主题，也就是当前主流的几种3D视觉解决方案：双目、3D结构光和TOF。

由于本站并非专业的硬件网站，所以尽量从应用层面以浅显易懂的方式来介绍这些硬件方案的特性和工作方式。

上图是这3种解决方案的工作原理和技术特点。

双目方案是根据自然光线下双摄像头成像的计算机视觉差异来判断景深，类似人眼的判断方式。

缺点是计算量大，功耗高，受环境影响大（比如雾天人就很难感知周围环境）。

3D结构光和TOF方案都是类似雷达探测的方式，也就是依靠额外的专门的光源来探测景深，以及关联硬件对该特殊光源的特定处理。

由于无需处理复杂的自然光，这些硬件能够更为高效精准的获得景深数据，而且不依赖于现实光照情况。

3D结构光

3D结构光本身是优点颇多的，精度高、功耗低、全天候、环境适应性好，非常适合用作人脸识别、支付，以及对自拍美颜进行细节补充。所以，在iPhone X搭载这项技术后，有的Android旗舰也开始搭载这项技术。OPPO Find X就是Android阵营的3D结构光代表。

以散斑结构光为基础原理的3D结构光，发射衍射光斑到物体上，传感器接收到发生形变的光斑，从而根据光斑形变的量来判断深度信息。它所发射的衍射光斑在一定距离外能量密度会降低，所以不适用于远距离的深度信息采集。3D结构光的工作距离范围很短，仅0.2m－1.2m，适合手机前置摄像头，而需要长距离信息的后置摄像头也不适用3D结构光。

TOF

TOF是Time of Flight即飞行时间的缩写。其具体原理是通过给被测目标连续发送光信号，然后在传感器端接收从被测目标返回的光信号，再通过计算发射和接收光信号的往返飞行时间来得到被测目标的距离。和3D结构光一样，TOF是一个用以补充图像Z轴深度信息的技术。

不过，和3D结构光不同的是，TOF技术是发射的不是散斑，而是面光源，所以在一定距离内，TOF的光信息不会出现大量的衰减，同时TOF感光元件的单位像素非常大，为10μm，对于光的采集有足够的保障，理论上只要提高发射端的功率，TOF的使用距离会非常远。一般情况下，TOF的工作距离范围是0.4m－5m。因此整体上来看，TOF更适合用在后置摄像头上。

TOF的解决方案里，用的图像传感器是CCD，功耗颇高，这对于电池续航本就捉襟见肘的手机不啻为一个大问题。

好在，索尼在2017年12月推出的IMX456QL CMOS解决了功耗问题，其功耗仅为CCD方案的1／5～1／3。该传感器结合了两种像素技术，一是提高反射光信号读取精度的像素技术，二是背照式CMOS影像传感器的像素技术，从而大幅提升了光线收集率和测距速度。该传感器搭载了高感光度的驱动模式，即使远距离也可实现高精度测距。