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3D视觉成像的下一站 浅析TOF 3D立体摄像头技术

来源:中国摄影协会    摄影入门_摄影艺术_中国摄影协会      发布时间:2019-10-09 21:30:14

不知道大家是否还记得游戏画面从2D进化到3D时代的那种感动?唯有更加趋近真实的3D立体“视界”,才能带给我们最为震撼和沉浸式的体验。如今,手机摄像头模块也正走在从2D向3D时代过渡的三岔路口,而TOF技术就是其中最有前景和钱景的出路。

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3D视觉成像的三个方向

曾经,智能手机只要做到性能强、网速快、拍照清晰、续航持久就可以了。然而,如今的人们已经不再满足于“屏幕内的视界”,除了需要拍摄更具立体感的照片,更安全的面部识别/支付、3D试妆、AR装潢、AR游戏、体感游戏、全息影像交互等需要“3D视觉成像”技术支撑的应用环境(图1),才是智能手机未来的发展趋势。

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根据原理和硬件实现方式的不同,智能手机领域最靠谱的3D视觉成像技术逐渐衍生出了三个方向,它们分别是双目立体成像、3D结构光以及TOF技术。下面,就让我们依次了解一下这三种技术的差异吧。

双目立体成像:无解的光线

我们去电影院通过立体眼镜观看3D电影,就是双目成像技术的一种表现形式:由于双眼会有视觉差距,从而呈现出立体的画面。在手机领域,配备两颗摄像头阵列,就满足了双目成像技术的最基本要求。

双摄手机能干啥

如今几乎所有千元以上的新品都在主打双摄模块(图2),而两颗镜头的组合,也赋予了智能手机在一定程度上侦测物体远近的能力,可以拍摄出具备硬件级背景虚化效果的照片。

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此外,以华为/荣耀手机为代表的品牌,在相机APP中还提供了“3D动态全景”模式(图3)。点击开启后,只要按住快门将摄像头对准被摄物体,然后绕着它沿固定方向移动,松开手即可完成拍摄。

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在相册预览时,我们只要点击照片中对应的3D图标,就能将这张静止的图片变成动态的视频,通过陀螺仪转动手机,或是手指的拖拽移动欣赏拍摄物体的不同角度。总之,在拍摄具备景深信息和3D动态的立体照片,以及时下流行的AR合影和AR萌拍时(图4),双摄手机的表现总会优于单摄手机,而这就是类似双目成像技术背后的功劳。

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来自光线的困扰

智能手机所武装的标准摄像头能否拍摄清晰的图像,完全取决于环境的光线,过亮或过暗的光线都会造成识别上的困难。就拿时下流行的“面部识别”功能为例(图5),无论手机前置摄像头是1颗还是2颗,其本质上还是2D成像,不仅存在被面部照片或面部视频“欺骗”的风险,在漆黑环境下也将彻底失效。

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为此,很多手机还会额外搭配专用的前置红外补光单元,从而解决漆黑环境下的面部识别难题。比如小米8,就在屏幕的刘海部分添加了隐藏式的红外照明原件和红外相机(图6)。需要注意的是,红外补光单元的加盟,依旧无法解决此类手机属于2D成像面部识别的事实,与iPhone X可以用于安全支付的Face ID不可同日而语。

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换句话说,目前智能手机通过双摄模拟双目成像技术的方案,最多只能算是2.5D,无论是精准度还是对光线敏感度的要求,都还不足以帮助手机进入真正的3D视觉成像时代。

3D结构光:距离是死穴

iPhone X是一款里程碑式的产品,它在手机领域首次实现了深度机器视觉技术,依靠名为“结构光技术”的硬件模组,实现了对面部信息采集从2D到3D的进化。

浅析结构光技术

简单来说,iPhone X在采集面部信息时,前置摄像头基本就是摆设,而是依靠由红外镜头、泛光感应元件和点阵投影器构成的“结构光模具”(图7)。

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其中,点阵投影器会发射3万多个肉眼不可见的光点投影在你的脸部,绘制出三维建模的立体面谱(图8),红外镜头则会读取这些点阵图案,并将信息发送到A11处理器的安全隔离区进行匹配对照,而泛光感应则是确保识别面部不受环境光线的影响。

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