深度相機(jī)常見技術(shù)：深度相機(jī)的相位求解

1.1 深度相機(jī)概述

深度相機(jī)是近幾年興起的新技術(shù)，相比較傳統(tǒng)的相機(jī)，深度相機(jī)在功能上添加了一個(gè)深度測(cè)量，從而更方便準(zhǔn)確的感知周圍的環(huán)境及變化。深度相機(jī)有很多的應(yīng)用場(chǎng)景，在我們?nèi)粘Ｉ钪杏泻芏嗌疃认鄼C(jī)的影子。那它可以用來(lái)做什么?三維建模、無(wú)人駕駛、機(jī)器人導(dǎo)航、手機(jī)人臉解鎖、體感游戲等都用到了深度相機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。iPhone X中最大的創(chuàng)新就是使用了前置深度相機(jī)?，F(xiàn)在，深度相機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)由智能終端解鎖，逐漸延伸至移動(dòng)支付、活體檢測(cè)等場(chǎng)景，其背后的技術(shù)手段：3D結(jié)構(gòu)光，也漸漸走入了公眾視野。

iPhone X 采用的是結(jié)構(gòu)光的方案，這里以 FaceID 的工作流程來(lái)解釋下它是如何獲取深度值的：

1，當(dāng)臉部靠近相機(jī)時(shí)，首先啟動(dòng)接近感應(yīng)器，若接近發(fā)出信號(hào)通知泛光照明器

2，泛光照明器會(huì)發(fā)出非結(jié)構(gòu)化的紅外線光投射到物體表面上，然后紅外相機(jī)接收這些光后檢測(cè)是否為人臉

3，若為人臉，則會(huì)讓點(diǎn)陣投影器將3萬(wàn)多個(gè)肉眼看不見的結(jié)構(gòu)光圖案投影到物體上

4，紅外鏡頭接收反射回來(lái)的點(diǎn)陣圖案，通關(guān)計(jì)算圖案的變形情況來(lái)獲得臉部不同位置的距離

1.2 深度相機(jī)常見技術(shù)

基于雙目立體視覺的深度相機(jī)對(duì)環(huán)境光照強(qiáng)度比較敏感，且比較依賴圖像本身的特征，因此在光照不足、缺乏紋理等情況下很難提取到有效魯棒的特征，從而導(dǎo)致匹配誤差增大甚至匹配失敗。而基于結(jié)構(gòu)光法的深度相機(jī)就是為了解決上述雙目匹配算法的復(fù)雜度和魯棒性問(wèn)題而提出的。結(jié)構(gòu)光法不依賴于物體本身的顏色和紋理，采用了主動(dòng)投影已知圖案的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)快速魯棒的匹配特征點(diǎn)，能夠達(dá)到較高的精度，也大大擴(kuò)展了適用范圍。

結(jié)構(gòu)光利用相位信息進(jìn)行三維重建，主要包括解相位和展開相位，利用展開的相位計(jì)算深度信息。相位測(cè)量，是一種基于三角測(cè)量原理的光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)，本質(zhì)上講其是一種條紋投射測(cè)量技術(shù)。由其測(cè)量原理可知，應(yīng)用該方法測(cè)量時(shí)，需要獲取因鏡面輪廓變化而產(chǎn)生的變形條紋圖像，求取變形條紋的相位分布，找出相位分布與鏡面面形之間的關(guān)系，進(jìn)而恢復(fù)出鏡面三維形貌。基于相位測(cè)量的測(cè)量系統(tǒng)將周期性余弦條紋投射于被測(cè)物體表面后， CCD 攝像機(jī)采集到的變形條紋圖像(可看作相位和振幅均被物面輪廓調(diào)制的二維空間載波信號(hào))可表示為：

其中，I(x, y)為CCD攝像機(jī)采集到的圖像光強(qiáng);a(x, y)為物面背景光強(qiáng);b(x, y)為調(diào)制度;φ(x, y)為條紋相位?？芍覀冃枰蠼鈼l紋圖像的相位分布，以求解物面法矢，進(jìn)而求解物面面形。因此，以獲取可靠相位信息為目的的條紋圖像相位分析也是基于相位測(cè)量偏折術(shù)的鏡面三維測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。至今研究人員已經(jīng)提出了多種針對(duì)條紋圖像相位的求解方法，按處理域的不同可分為空域相位分析技術(shù)和時(shí)域相位分析技術(shù)兩大類。

1.3 深度相機(jī)的相位求解

3D結(jié)構(gòu)光的整個(gè)系統(tǒng)包含結(jié)構(gòu)光投影設(shè)備、攝像機(jī)、圖像采集和處理系統(tǒng)。其過(guò)程就是投影設(shè)備發(fā)射光線到被測(cè)物體上，攝像機(jī)拍攝在被測(cè)物體上形成的三維光圖形，拍攝圖像經(jīng)采集處理系統(tǒng)處理后獲得被測(cè)物體表面數(shù)據(jù)。在這個(gè)系統(tǒng)中，當(dāng)相機(jī)和投影設(shè)備相對(duì)位置一定時(shí)，投射在被測(cè)物體上的光線畸變程度取決于物體表面的深度，所以在拍攝圖像中可以得到一張擁有深度的光線圖像。

3D結(jié)構(gòu)光模式包含點(diǎn)、線、面的模式，是指投射的光線類型。例如，這里A點(diǎn)和C點(diǎn)的相位差就是計(jì)算高度所需要的，那這兩點(diǎn)在相機(jī)拍到的畸變條紋圖像中是怎么體現(xiàn)的呢?

這是所拍到的被調(diào)制前后的條紋圖像，圖中的紅色點(diǎn)即相當(dāng)于上圖中的A點(diǎn)和C點(diǎn)，兩點(diǎn)的像素坐標(biāo)相同，相位不同，求的相同坐標(biāo)下的相位差即可間接求的D點(diǎn)的高度。也就是說(shuō)空間中任意兩處的散斑或條紋結(jié)構(gòu)光圖案都是不同的。只要在空間中打上這樣的結(jié)構(gòu)光，整個(gè)空間就都被做了標(biāo)記，把一個(gè)物體放進(jìn)這個(gè)空間，只要看看物體上面的散斑圖案，就可以知道這個(gè)物體在什么位置了。當(dāng)然，在這之前要把整個(gè)空間的散斑圖案都記錄下來(lái)，所以要先做一次光源標(biāo)定，通過(guò)對(duì)比標(biāo)定平面的光斑分布，就能精確計(jì)算出當(dāng)前物體距離相機(jī)的距離。

1.4 總結(jié)

現(xiàn)階段的主要用于高端智能機(jī)型上進(jìn)行解鎖、身份核對(duì)，解鎖/識(shí)別準(zhǔn)確度與速度均優(yōu)于指紋識(shí)別。在虛擬交互方面，也已被用于體感游戲、手勢(shì)控制等用途。3D結(jié)構(gòu)光在應(yīng)用場(chǎng)景落地的技術(shù)條件已經(jīng)具備，更多衍生的應(yīng)用場(chǎng)景正在開發(fā)和嘗試當(dāng)中。一般來(lái)說(shuō)，由多條垂直雙向的線組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最常用，這種模式不需要掃描就可以實(shí)現(xiàn)三維的輪廓測(cè)量，而且速度快。


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