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572隨著3D成像技術(shù)日趨成熟，3D相機已經(jīng)出現(xiàn)在日常服務(wù)、金融支付、物流分揀、加工制造等越來越多的應(yīng)用場景中。但仍有許多使用者由于不甚了解不同類型3D相機之間的差異，在進行設(shè)備選型時存在諸多困惑。本文將系統(tǒng)介紹各類3D相機的基本原理、特點以及相互之間的差異，幫助您更好地完成相機選型。
什么是3D相機
普通數(shù)碼相機輸出的圖像以二維像素網(wǎng)格構(gòu)成。依據(jù)每個像素的屬性將其定義為紅色（Red）、綠色（Green）、藍色（Blue），通常稱為RGB。不同屬性的像素可以用0－255的數(shù)字來表示，例如，黑色的相應(yīng)值為（0，0，0），純鮮紅色的相應(yīng)值是（255，0，0）。成千上百萬的像素可以構(gòu)成我們常見的照片。
知象光電高精度3D相機Ailook 支持3D實時成像
3D相機的不同之處在于，它可以測量普通數(shù)碼相機無法測量的深度數(shù)據(jù)。所謂深度數(shù)據(jù)，就是像素到相機的距離。所以3D相機可以獲取四個值，分別是RGB值和深度信息，即RGB－D。
3D相機輸出的深度信息可以通過不同的形式顯示出來。在上圖示例中，左邊為彩色圖，右邊為深度圖。深度圖中的不同顏色，表示像素到相機的距離，青色表示距離相機最近，而紅色則表示距離相機最遠。其實深度圖的顯示，使用什么顏色不重要，只是為了便于識別。
3D相機的常見類型
3D相機通過其使用的深度數(shù)據(jù)計算方式來進行分類。不同類型的3D相機都有其優(yōu)點與限制性，所以選取何種3D相機，就取決于使用者的實際需求。常見的選型要素有：最遠測量距離、最高精度、是否支持戶外使用這三點。
1．結(jié)構(gòu)光與編碼光
結(jié)構(gòu)光3D相機與編碼光3D相機都是通過光源發(fā)射器投射光（通常是紅外光）到物體。所投射的光是有特定圖案的。這種特定的圖案，可以從視覺層面進行設(shè)置，也可以從時間層面進行設(shè)置，還可以是這兩個方式的結(jié)合。由于光投影的圖案是既定的，所以3D相機的內(nèi)置傳感器通過識別場景中的圖案就可以獲取到深度信息。例如下圖，如果光的既定圖案是一系列條紋，當它投射到一個球上，這些條紋將會依據(jù)球的表面產(chǎn)生特定形變，且當球靠近光源發(fā)射器時，圖案還會發(fā)生相應(yīng)的改變。
利用既定圖像與相機識別到的實際圖像之間的差異，可以計算出每個像素到相機的距離。這項技術(shù)的核心是需要精準識別所投射的光的圖案。但是相機投射出的光的功率會因為距離變大而衰減，還會受到環(huán)境中其他相機或設(shè)備發(fā)出的紅外線噪音的干擾，因此，編碼光和結(jié)構(gòu)光相機適合在室內(nèi)，進行短距離作業(yè)。
知象光電工業(yè)3D相機Surface 采用雙目紅外結(jié)構(gòu)光技術(shù)
2．立體視覺
立體視覺相機依據(jù)內(nèi)置的傳感器數(shù)量可分為單目立體視覺相機（內(nèi)置單個傳感器）與雙目立體視覺（內(nèi)置兩個傳感器）相機。由于它們工作原理相同，以下舉例均以雙目立體視覺技術(shù)為例進行介紹。立體視覺相機常利用紅外光來提高測量精度，并且可利用一切光進行測量，這一點不同于上文介紹的編碼光或結(jié)構(gòu)光3D相機。雙目立體視覺相機內(nèi)置兩個傳感器，可以分別得到出兩組圖像的深度信息。由于傳感器之間的距離是已知的，通過計算便可以得到被測對象的深度信息。
雙目立體視覺相機的工作原理，與人眼進行深度感知的原理類似。人的兩眼分別可看見一幅圖像，大腦可以計算出兩眼之間的差異，距離物體近的一只眼所識別出的物體移動幅度更大，而距離物體遠的一只眼所識別出的移動幅度就就小一些。
雙目立體視覺相機在大多數(shù)照明條件下，甚至是戶外，它都能保持良好的性能。如為其配置紅外光發(fā)射器，那么即使在光照條件差的環(huán)境中，它依然能敏銳感知深度信息。雙目立體視覺相機的另一個優(yōu)點是，在特定場景中，相機的使用數(shù)量是沒有限制的，不會出現(xiàn)多個編碼光相機或TOF相機同時使用時出現(xiàn)的互相干擾的問題。
雙目立體視覺相機所能測量的距離取決于兩個內(nèi)置傳感器之間的距離，也就是基線距離。基線距離越寬，相機可測試的距離就越遠。事實上，天文學家們使用一種相似的技術(shù)來測量恒星距地球的距離。先測量一顆恒星在天空中的位置，六個月后，當?shù)厍蜻\轉(zhuǎn)到軌道中離原始測量點最遠位置時，再次測量同一恒星位置。這樣，天文學家就可以利用大約3億公里的基線距離計算出恒星距離地球的位置（恒星的深度信息）。
3．TOF相機
每種3D相機都依賴已知信息來推斷深度信息。例如，在立體視覺技術(shù)中，基線距離是已知的。在編碼光和結(jié)構(gòu)光技術(shù)中，光的圖案是已知的。而在TOF技術(shù)（Time of Flight）方面，光速則是用來計算深度的已知變量。
所有類型的TOF相機都會發(fā)射某種光線，用來掃射全場，然后測算光反射回來的時間。根據(jù)光的功率和波長，TOF相機可適用遠的距離的測量工作，例如，用TOF相機在直升機上進行地圖繪制的相關(guān)測量工作；汽車自動駕駛中常使用的激光定位器。
TOF相機的缺點是，在相同空間內(nèi)，其他相機的光會對它們造成較強干擾，而且在室外環(huán)境下也不適用。
你能用3D相機做什么？
知象光電工業(yè)3D相機Raygo 重復(fù)精度最高可達5μm
3D相機可以讓任何設(shè)備和系統(tǒng)不需要人工干預(yù)的方式理解場景。雖然計算機可以實現(xiàn)理解二維圖像，但這需要投入大量的時間和成本來訓練機器學習網(wǎng)絡(luò)。3D相機本身可提供一些無需訓練便可識別的信息，例如，3D相機可直接區(qū)分前景、背景、場景，從圖像中剔除背景物，這對于需要分割背景的相關(guān)應(yīng)用中非常有幫助。
本文為解釋3D相機的類別及工作原理，列舉了一些應(yīng)用場景。而實際上，3D相機可應(yīng)用的范圍遠比這廣泛的多。未來，3D視覺技術(shù)不僅能幫助設(shè)備看得更遠、更立體，更精準，同時還能聯(lián)合人工智能，助力更多領(lǐng)域的升級、創(chuàng)新。
西安知象光電科技依托西安交通大學、中科院西光所、麻省理工學院等著名研究機構(gòu)，研發(fā)結(jié)構(gòu)光3D成像模組核心硬件技術(shù)和3D人工智能算法，打造高精度3D成像國際品牌。公司產(chǎn)品已銷往國內(nèi)、海外的消費電子、醫(yī)療健康、軍工安防、文化教育、工業(yè)檢測等市場。投資人包括國中創(chuàng)投、深創(chuàng)投、軟銀中國、中科創(chuàng)星等。
