3D成像工作原理和分類

3D成像技術(shù)按照工作原理，首先分為被動式和主動式兩類。

被動式視覺效仿生物的雙眼視覺（binocular vision）原理，由至少2枚圖像傳感器（image sensor）構(gòu)成，運用其觀測對象在每個圖像傳感器單獨成像的位置，結(jié)合2枚圖像傳感器的相對物理位置，根據(jù)幾何關(guān)系測量原理，可以計算出景深（depth）。請注意，景深和距離是不同的概念，如下圖1所示。

雙目視覺系統(tǒng)的核心在于關(guān)聯(lián)同一觀測點在各自圖像傳感器中的坐標(biāo)位置，如上圖1的左圖所示。然而，在實際使用中，由于受到外部環(huán)境和拍攝對象表面紋理屬性等客觀因素影響，特征點自動匹配在算法上較為復(fù)雜，匹配精度也直接影響到景深計算精度，影響系統(tǒng)整體效果。

主動式視覺系統(tǒng)則由于其工作原理的不同，有效解決了這一問題。

主動式視覺系統(tǒng)利用獨立的人工光源，主動投射到觀測對象來測量景深。主動式視覺根據(jù)投射光源和景深技術(shù)原理的不同，又分為三小類：三角測距法、結(jié)構(gòu)光法、飛行時間法。如下圖2所示。下面做詳細(xì)介紹：

（1）三角測距法（triangular）

三角測距法是利用投射光源、觀測對象和接收圖像傳感器的空間位置，利用三角幾何學(xué)計算景深的方法。此方法是眾多主動式3D景深視覺系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)算法。

（2）結(jié)構(gòu)光法（structured light）

結(jié)構(gòu)光法可以認(rèn)為是針對在被動式視覺系統(tǒng)中特征點匹配問題的對策性方案。如下圖 3所示，結(jié)構(gòu)光的含義是主動光源通過特定圖案編碼投射到被測物體，例如將分布較密集的均勻光柵投影到被測物體上面，由于被測物體表面的不規(guī)則性具有的不同深度，反射到圖像傳感器的光柵條紋會有所變形，這個過程可以看作是由物體表面的深度信息對光柵的條紋進(jìn)行了調(diào)制。通過對比圖像傳感器接收到的發(fā)生畸變的光柵圖案和原生圖案，就可以解析出每個觀測點的深度信息，形成深度點云（point cloud），即深度幀（depth frame）。

需要說明的是，結(jié)構(gòu)光法按投射方式還可分為點、線、面三種方式。按照圖案編碼方式亦可分為時間編碼、空間編碼和直接編碼（如灰度編碼）。這些技術(shù)皆為提高編碼圖案的解調(diào)抗干擾性，以及更快獲取深度點云而采取的不同技術(shù)手段，如下表1所示。目前，在移動終端領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)光編碼以靜態(tài)編碼為主。

（3）飛行時間法（time of flight）

飛行時間又稱TOF，簡要來說，是基于測量投射的光源信號發(fā)射與接收之間的時間差，計算出景深或距離的一種景深計算方法。

TOF根據(jù)如何測量時間差又可細(xì)分為脈沖波測距和連續(xù)波測距。脈沖波測距原理是直接測量脈沖信號發(fā)射和接收的時間差；連續(xù)波測距則是通過連續(xù)發(fā)射整數(shù)波長，通過計算接收波與發(fā)射波之間的相位差，間接計算時間差，如下圖 4所示。

具體來說，脈沖波測距多用于工業(yè)測繪領(lǐng)域等大范圍遠(yuǎn)距離場景，其使用的光源也以激光為主。對于手機終端設(shè)備而言，由于使用場景和功耗，意味著目標(biāo)對象與鏡頭的距離在十米、百米以內(nèi)，所以手機終端上使用的TOF預(yù)計將以連續(xù)波相位測距技術(shù)為主。

就目前而言，結(jié)構(gòu)光與TOF是主動景深視覺系統(tǒng)的主流技術(shù)實現(xiàn)方案。結(jié)構(gòu)光技術(shù)較為成熟，組件集成度高，目前蘋果iPhone X已采用結(jié)構(gòu)光技術(shù)；TOF由于直接測量景深/距離，在響應(yīng)速度和量程兩方面具有先天技術(shù)優(yōu)勢，加上Google、Microsoft等國際一流企業(yè)的站臺背書，技術(shù)前景光明。

需要說明的是，主動式3D景深視覺系統(tǒng)在持續(xù)發(fā)展中開始借鑒被動雙目視覺系統(tǒng)的優(yōu)點，即通過引入2枚圖像傳感器（active stereo vision），利用圖像傳感器之間空間位置關(guān)系，以及雙路光源發(fā)射器到圖像傳感器的光源運動軌跡，達(dá)到更高精度的景深信息。例如，Intel最新發(fā)布的D400 Series景深攝像模塊就是采用該技術(shù)的代表。

3D成像和傳感市場概況

前文介紹了3D景深成像系統(tǒng)的工作原理。那么，3D成像技術(shù)是否存在市場需求？3D成像技術(shù)距離全面普及還有多久呢？我們可以從以下幾個維度來尋找答案。

（1）VCSEL市場增長情況

VCSEL激光器作為3D景深成像系統(tǒng)的核心部件，在消費電子領(lǐng)域的市場趨勢可以間接反映其3D景深市場需求和未來發(fā)展情況。如下圖5所示，根據(jù)Yole預(yù)計，隨著2017年iPhone X首次引入結(jié)構(gòu)光主動式3D成像系統(tǒng)，VCSEL整體市場將以CAGR 48%的增速飛速增長，在消費電子領(lǐng)域，VCSEL市場大小從2017年的1.65億美元攀升至2023年的31億美元，增長幅度接近30倍。

（2）3D成像市場增長情況

據(jù)Yole預(yù)測，3D成像和傳感市場整體增長速度為CAGR 44%，在消費電子領(lǐng)域?qū)訡AGR 82%的速度高速增長，到2023年達(dá)到138億美元，如下圖6所示。

（3）3D景深在終端手機的占有率情況

主動式視覺系統(tǒng)由于其技術(shù)先進(jìn)性，將會逐漸替代被動式雙目視覺系統(tǒng)，逐漸被手機終端廠商采用。目前在3D成像領(lǐng)域，根據(jù)其結(jié)構(gòu)光和TOF技術(shù)的特性，一個較為共識的預(yù)測是基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的3D成像將作為手機前置攝像頭被采用，而TOF技術(shù)則將會在后置攝像頭更有前景。

目前蘋果作為手機終端高新技術(shù)的引領(lǐng)者，同時占據(jù)3D成像產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)一級供應(yīng)商的供貨渠道，預(yù)計將繼續(xù)領(lǐng)先安卓手機廠商1-2年時間率先部署3D景深攝像頭，如下圖7所示。

編輯：黃飛

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