2017年，搭載結(jié)構(gòu)光技術(shù)的iPhone X一經(jīng)問(wèn)世，便引來(lái)了國(guó)內(nèi)各大手機(jī)廠商的紛紛效仿，由此三維人臉識(shí)別進(jìn)入大眾視野。人臉識(shí)別以其非接觸、便捷、易采集等優(yōu)勢(shì)，在眾多生物識(shí)別技術(shù)中脫穎而出，在門(mén)禁、考勤、安檢通關(guān)等場(chǎng)景廣泛應(yīng)用。但目前應(yīng)用的主要是基于可見(jiàn)光的二維人臉識(shí)別，由于三維立體信息的缺失，二維識(shí)別受環(huán)境光、遮擋等影響嚴(yán)重，且防偽能力較差，導(dǎo)致在支付等場(chǎng)景無(wú)法使用。三維人臉識(shí)別較好的彌補(bǔ)了二維識(shí)別的弊端，逐漸成為各家旗艦機(jī)型的標(biāo)配。        

三維人臉識(shí)別的第一步就是要獲得三維人臉模型，這里的關(guān)鍵技術(shù)是三維重建，在手機(jī)、門(mén)禁等消費(fèi)領(lǐng)域主要用到光學(xué)重建。主流的重建方案有三種，分別是結(jié)構(gòu)光方案（Structured Light）、TOF方案（Time Of Flight，時(shí)差測(cè)距技術(shù)）、雙目立體成像方案（Stereo System）。接下來(lái)，我們對(duì)這三種方案進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

結(jié)構(gòu)光方案的硬件主要由投射器和相機(jī)組成，其基本原理是，通過(guò)近紅外激光器，將具有一定結(jié)構(gòu)特征的光線投射到被拍攝物體上，再由專(zhuān)門(mén)的紅外攝像頭進(jìn)行采集。這種具備一定結(jié)構(gòu)的光線，會(huì)因被攝物體的不同深度區(qū)域，而采集不同的圖像相位信息，然后通過(guò)運(yùn)算單元將這種結(jié)構(gòu)的變化換算成深度信息，以此來(lái)獲得三維結(jié)構(gòu)。

      結(jié)構(gòu)光方案可以再細(xì)分為散斑結(jié)構(gòu)光和編碼結(jié)構(gòu)光，二者基本原理相同，但細(xì)節(jié)上還是有差異的。采用散斑結(jié)構(gòu)光的有iPhone X系列、微軟Kinect等，激光通過(guò)一個(gè)透明散射體（如毛玻璃）時(shí)，在散射表面或附近的光場(chǎng)中可以觀察到一種無(wú)規(guī)分布的亮暗斑點(diǎn)，這種散斑具有高度的隨機(jī)性，而且隨著距離的不同會(huì)出現(xiàn)不同的圖案，也就是說(shuō)，在同一空間中任何兩個(gè)地方的散斑圖案都不相同。只要在空間中打上這樣的結(jié)構(gòu)光然后加以記憶就讓整個(gè)空間都像是被做了標(biāo)記，然后把一個(gè)物體放入這個(gè)空間后只需要從物體的散斑圖案變化就可以知道這個(gè)物體的具體位置。

從建模效果以及集成成本來(lái)看，結(jié)構(gòu)光這種方案在未來(lái)的優(yōu)勢(shì)還是很有前景的，可拓展空間會(huì)更加廣闊。

2、TOF方案

TOF即為飛行時(shí)間法，其測(cè)距原理是通過(guò)給目標(biāo)連續(xù)發(fā)送光脈沖，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過(guò)探測(cè)光脈沖的飛行（往返）時(shí)間來(lái)得到目標(biāo)物距離。相對(duì)于3D結(jié)構(gòu)光的點(diǎn)陣投射，TOF則是一面均勻的光源，雖然精度上遜色于結(jié)構(gòu)光方案，但是速度更快，距離更遠(yuǎn)，范圍更大，也得到了比較廣泛的應(yīng)用。TOF可細(xì)分為iTOF-Indirect TOF（間接測(cè)量飛行時(shí)間）和DTOF-Direct TOF（直接測(cè)量飛行時(shí)間）。

所謂間接測(cè)量，即通過(guò)測(cè)量相位偏移來(lái)間接測(cè)量光的飛行時(shí)間，而不是直接測(cè)量光飛行時(shí)間。iToF模組的核心組件包含VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）和圖像傳感器，VCSEL發(fā)射特定頻率的調(diào)制紅外光，圖像傳感器在曝光（積分）時(shí)間內(nèi)接收反射光并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，計(jì)算發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)之間的相位差，從而獲取目標(biāo)物體的深度。iTOF硬件成本低，且集成度較高，目前應(yīng)用較廣，但是其深度精度在cm級(jí)，并且隨著測(cè)量距離的增大，反射光的強(qiáng)度減小，相位測(cè)量的信噪比減小，絕對(duì)誤差也會(huì)隨之增大。在對(duì)精度有高要求的場(chǎng)景無(wú)法應(yīng)用。

dToF，全稱(chēng)是direct Time-of-Flight。顧名思義，dToF直接測(cè)量飛行時(shí)間。dToF核心組件包含VCSEL、單光子雪崩二極管（SPAD）和時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC。SinglePhoton Avalanche Diode(SPAD)是一種具有單光子探測(cè)能力的光電探測(cè)雪崩二極管，只要有微弱的光信號(hào)就能產(chǎn)生電流。VCSEL向場(chǎng)景中發(fā)射脈沖波，SPAD接收從目標(biāo)物體反射回來(lái)的脈沖波。Time Digital Converter(TDC)能夠記錄每次接收到的光信號(hào)的飛行時(shí)間，也就是發(fā)射脈沖和接收脈沖之間的時(shí)間間隔。dToF會(huì)在單幀測(cè)量時(shí)間內(nèi)發(fā)射和接收N次光信號(hào)，然后對(duì)記錄的N次飛行時(shí)間做直方圖統(tǒng)計(jì)，其中出現(xiàn)頻率最高的飛行時(shí)間t用來(lái)計(jì)算待測(cè)物體的深度。

dToF的原理看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是實(shí)際能達(dá)到較高的精度很困難。除了對(duì)時(shí)鐘同步有非常高的精度要求以外，還對(duì)脈沖信號(hào)的精度有很高的要求。dToF中的核心組件SPAD制作工藝復(fù)雜，能勝任生產(chǎn)任務(wù)的廠家并不多，并且集成困難。2020年，在最新款iPad Pro中，蘋(píng)果首次引入激光雷達(dá)掃描儀（LiDAR），就是采用了dTOF的技術(shù)方案。除此之外，目前還沒(méi)有其他公司能夠商用dTOF方案。dTOF在精度、功耗、抗干擾等方面都具備iTOF不可比擬的優(yōu)勢(shì)，相信隨著蘋(píng)果的引入，會(huì)有更多廠家推進(jìn)dTOF的研發(fā)與應(yīng)用，未來(lái)可期。

3、雙目立體成像方案

基于雙目立體視覺(jué)的深度相機(jī)類(lèi)似人類(lèi)的雙眼，和基于TOF、結(jié)構(gòu)光原理的深度相機(jī)不同，它不對(duì)外主動(dòng)投射光源，完全依靠拍攝的兩張圖片（彩色RGB或者灰度圖），通過(guò)三角形原理計(jì)算物體距離，因此有時(shí)候也被稱(chēng)為被動(dòng)雙目深度相機(jī)。該方案作為比較早的三維人臉識(shí)別方案，成本最低，建模精度一般，注定只能淪為中端機(jī)型的權(quán)宜之計(jì)，后續(xù)發(fā)展空間不足。

本文僅做學(xué)術(shù)分享，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系刪文