3D深度感测的原理和使用二极管激光来实现深度感测的优势

本文介绍了3D深度感测的原理和使用二极管激光来实现深度感测的优势。

世界是三维的。这句话如此容易理解，以至于大多数人从未怀疑过自己感知世界的方式。但事实上，人的每只眼睛每次可捕获一幅平面图像，就像相机一样。根据双眼捕获的两幅平面图像形成3D感知，这个神奇的过程只会发生在人的大脑中。

如今，我们越来越需要数字系统与 3D 世界交互——无论是解读手势控制、进行面部识别，还是让汽车进行自动驾驶。为了完成这些任务，我们需要至少给数字系统赋予人类的一些深度感知能力。

01 深度感测

数位成像领域使用两种基本的 3D（深度）感测方法：三角测量和飞行时间 （time-of-flight，ToF） 测量。这两种技术有时甚至结合使用。

三角测量基于几何学。双眼视觉是三角测量的一种形式，是人类 3D（立体）视觉的工作方式。人的双眼呈水平分开。这意味着两只眼睛分别从略微不同的角度看世界。这种角度差异会产生视差，即，物体相对于背景的位置会根据你用哪只眼睛看而发生偏移。然后，大脑利用这些视差信息来感知视野范围内物体的深度（距离），并产生对视野的 3D 感知。

然而，立体视觉可能依赖于照明条件，且需要独特的纹理表面。这导致难以可靠地实现立体视觉。相反，计算机视觉系统使用三角测量的另一种形式，依赖于结构光。“结构光”这个名称听起来很深奥，其实就是指将图案（例如，一系列线条或无数光点）投射到物体上，并从略微不同的角度分析图案的畸变程度。相较于重建真实的双眼视觉，这种方法对处理能力的要求低很多，而且使计算机能够快速计算深度信息并重建 3D 场景。

在其中一种形式的三角测量深度感测技术中，结构光图案被投射在场景中，再由成像系统分析图案的畸变程度，以获得照明区域的深度信息

三角测量法在处理表面的高分辨率绘图方面具有优势。这种方法在短距离应用中效果最佳，因此对于面部识别等任务非常有用。

飞行时间 （ToF） 成像技术有两种不同的形式。在“直接飞行时间”（direct Time-of-Flight，dToF）技术中，场景被光脉冲照亮，系统会测量光脉冲反射回来所需的时间。由于光速是已知的，因此这个回程时间可直接转换为距离。如果针对图像的每个像素独立进行这项计算，即可得出场景中每个点的深度值。

ToF 技术的第二种形式是“间接飞行时间”（indirect Time-of-Flight， iToF）。在 iToF 技术中，照明光源是连续的调变信号。系统会在返回光中测量这种调变模式的相移。这样可提供用于计算物体距离的数据。

ToF 技术的优势在于能够快速完成大面积和长距离的测量。这使它非常适合虚拟实境头戴式装置中的房间扫描或机器人导航中的障碍物检测等任务。

直接飞行时间感测光脉冲的往返行程时间，并将测得的时间转换为距离

02 3D感光源要求

光源的特性是决定三角测量和ToF 3D感测方法的有效性和准确性的关键因素。每种应用都有独特的照明要求，但也有某些共同需求。

三角测量光源还需要具有稳定的光束指向特性。这种特性的任何波动都可能导致深度测量不准确。

ToF系统要求光源能够发射精确的短光脉冲（dToF）或可进行高频调变的连续输出（iToF）。要进行准确的距离测量，精确且升降时间很短的脉冲时间和调变频率至关重要。

ToF 系统（尤其是使用泛光照明来覆盖大面积或长距离的系统）通常需要比三角测量系统更高的输出功率。这可确保返回光具有足够的强度，能被检测到，并确保系统在有强烈环境光的情况下能够正常运行。

随着输出功率的提高，对功率效率（光输出功率与输入电功率之比）的需求变得更加重要。对于便携式设备（由电池供电），效率尤其重要。

03 激光帮助实现更高质量的深度感测

二极管激光比任何其他光源都能更好地满足这些要求（对于三角测量和TOF感测）。早就有一些3D感测应用部署了发光二极管（Light emitting diode， LED），因为LED容易获得且成本相对较低。但随着对3D感测系统性能和效率的需求不断提高，LED变得不太符合要求。

其中一个原因是，二极管激光具有几个独特的特性：光谱输出窄、光束相干性、亮度高。这些特性使二极管激光非常适用于创建精确、高对比度、稳定的结构化光图案。

由于激光的光谱输出窄，使得可以轻而易举地在检测系统中过滤掉环境光。这样可提高各种感测系统在明亮的阳光下或其他光线充足的场景中的性能。

二极管激光具有更高亮度，这可进一步提高返回信号的功率。特别是对于TOF应用来说，这意味着更短的光闸时间、更高的帧速率，以及能够更敏锐地看到反射性不高的物体。同样，这将会提高系统在光线充足的场景中的性能。由于强度较低，因此LED难以实现同样水平的细节分辨率和深度分辨率。

此外，与LED相比，二极管激光在功耗和尺寸方面具有明显优势。二极管激光外形小巧，而又能够发射强信号，因此成为了由电池供电的小型设备的理想之选。

最后，二极管激光的切换或调变速率比LED快得多。这种快速调变使得可以采用准确性更高的先进ToF技术。