3D傳感技術(shù)根據(jù)工作原理一般分為紅藍(lán)（RGB）雙目成像、飛行時(shí)間（Time Of Flight，TOF）法和結(jié)構(gòu)光三種，由于紅藍(lán)（RGB）雙目技術(shù)屬于被動(dòng)成像，對(duì)圖像算法和光線要求較高，在背景光較暗或高曝光度的環(huán)境下成像效果較差，因此很少采用。目前主流的技術(shù)為TOF和結(jié)構(gòu)光。

01 TOF技術(shù)

TOF是一種利用光飛行時(shí)間的光學(xué)測(cè)距方式，大量應(yīng)用于激光雷達(dá)、深度攝像頭等三維深度感知傳感器上。TOF激光雷達(dá)主要由發(fā)射器、接收器、高精度計(jì)時(shí)器組成。激光發(fā)射器發(fā)射出已調(diào)制的激光光束，光束到達(dá)觀測(cè)物表面并反射回接收器。TOF激光雷達(dá)雖然體積小、抗干擾性強(qiáng)，但是其測(cè)量分辨率受計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)精度限制，且功耗較大。

TOF 技術(shù)有兩種不同發(fā)射光的調(diào)制形式，分別是直接飛行時(shí)間測(cè)量（Direct-TOF，即 dTOF）和間接飛行時(shí)間測(cè)量（Indirect-TOF，即 iTOF）。其中，直接飛行時(shí)間測(cè)量采用的是脈沖調(diào)制，而間接飛行時(shí)間測(cè)量則采用連續(xù)波調(diào)制。

1.1 DTOF（Direct-TOF）技術(shù)

脈沖調(diào)制法一般采用方波脈沖，通過計(jì)時(shí)器直接計(jì)算脈沖發(fā)射和接收的時(shí)間差，進(jìn)而求得距離。這種測(cè)量方法簡(jiǎn)單，響應(yīng)較快，但是對(duì)硬件的要求較高。

在脈沖調(diào)制方案中，一般采用方波調(diào)制光源，在數(shù)字電路中較容易實(shí)現(xiàn)。接收端的每個(gè)像素均由一個(gè)將入射光轉(zhuǎn)換為電流感光單元組成，連接2個(gè)由解調(diào)模塊控制的開關(guān)（圖中的G1和G2），其開關(guān)和解調(diào)的頻率有關(guān)，當(dāng)光子（圖中的黑色箭頭）被感光元件接收時(shí)，且當(dāng)G1閉合時(shí)，充好電的電容C1就會(huì)與感光元件釋放出來的電子中和，此時(shí)電容C1放電，直到中和完畢，最后得到的電容C1中的電平就代表接受光子數(shù)量和時(shí)間的電平。開關(guān)G2閉合時(shí)，充好電的電容C2會(huì)與感光元件釋放出來的電子中和，然后形成C2中的電平。由于單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)長(zhǎng)非常短，這個(gè)過程會(huì)重復(fù)幾千次，直到相機(jī)的曝光時(shí)間結(jié)束。

脈沖調(diào)制數(shù)字電路示意圖

脈沖調(diào)制法積分時(shí)間示意圖

假設(shè)光速為c，發(fā)射脈沖頻率為f，光源照射時(shí)間為t。在兩個(gè)窗口打開時(shí)，即電容高電平時(shí)，且此時(shí)存在物體反射回來的脈沖波，兩個(gè)不同窗口會(huì)在各自的時(shí)間內(nèi)收集電荷（圖中粉色部分）。假設(shè)電容C1收集到的電荷量為Q1，C2收集到的電容量為Q2。Q1與Q2之和表示有反射脈沖時(shí)間內(nèi)收集到的電荷量。則通過計(jì)算Q2在反射脈沖時(shí)間中的占比就可以計(jì)算光的飛行時(shí)間。

1.2 ITOF（Indirect-TOF）技術(shù)

連續(xù)波調(diào)制法一般采用連續(xù)正弦波調(diào)制，通過光源不斷發(fā)射調(diào)制過的紅外激光，光束經(jīng)被測(cè)物體表面反射后，有一部分光線按原路徑返回并被探測(cè)器接收，由于發(fā)射、接收信號(hào)之間存在相位差，因此可以通過相位差檢測(cè)技術(shù)間接的計(jì)算光的飛行時(shí)間差，其測(cè)量原理如圖所示。

與脈沖調(diào)制波不同的是，連續(xù)調(diào)制波法每次測(cè)量獲取多個(gè)樣本，每個(gè)樣本之間相位差為90°，共采4個(gè)樣本，分別是C1-C4，即4相法。

連續(xù)波調(diào)制法積分時(shí)間示意圖

根據(jù)積分時(shí)間的示意圖，可以得到相位偏移的計(jì)算公式:

再通過相位偏移計(jì)算深度

02 結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)

基于結(jié)構(gòu)光法的三維重建主要利用光學(xué)三角測(cè)量原理來計(jì)算物體的深度信息。它主要通過掃描儀中的光源、光感應(yīng)器和反射點(diǎn)構(gòu)成的三角關(guān)系來計(jì)算目標(biāo)物體的深度信息, 從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的三維重建。三角測(cè)量又可以分為: 單光點(diǎn)測(cè)量、單光條測(cè)量和多光條測(cè)量。

03 TOF技術(shù)與結(jié)構(gòu)光三維成像技術(shù)的對(duì)比

3D結(jié)構(gòu)光與TOF技術(shù)由于技術(shù)特點(diǎn)不同，都在不同領(lǐng)域有著自己的優(yōu)勢(shì)。

<1>TOF與結(jié)構(gòu)光相比模組結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，尺寸更小，在發(fā)射端，TOF基本不需要使用光學(xué)棱鏡，而結(jié)構(gòu)光由于需要形成特定的圖案，需要添加衍射光柵和光學(xué)棱鏡。

<2>結(jié)構(gòu)光在近距離測(cè)量中精度更高。TOF技術(shù)的精度只能達(dá)到厘米量級(jí)，而結(jié)構(gòu)光技術(shù)的精度可以達(dá)到毫米量級(jí)，因此在工業(yè)測(cè)量中被廣泛使用。

<3>結(jié)構(gòu)光技術(shù)只需要發(fā)射一次激光脈沖，就可以得到物體大量的深度信息，具有低功耗、高分辨率的特點(diǎn)。相反，TOF則需要多次發(fā)射激光脈沖，因此功耗較高、分辨率較低。

<4>TOF技術(shù)對(duì)算法要求更低，響應(yīng)更快。結(jié)構(gòu)光需要對(duì)編碼的光信息進(jìn)行深度處理，算法的復(fù)雜性較高。TOF技術(shù)復(fù)雜度較低，運(yùn)算量小，處理時(shí)間短，因此可以達(dá)到更高的圖像采集幀率。

綜合來看，由于TOF技術(shù)測(cè)量范圍較遠(yuǎn)，且采集圖像速度和幀率更高，在汽車?yán)走_(dá)和肢體動(dòng)作識(shí)別領(lǐng)域應(yīng)用更多；而結(jié)構(gòu)光技術(shù)由于適用于近距離檢測(cè)，且檢測(cè)精度更高，因此在人臉識(shí)別、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用更廣。

參考文獻(xiàn)：

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[3] ToF與立體視覺技術(shù)相結(jié)合的三維重建方法研究_黃舒蘭