一．概述

結(jié)構(gòu)光（Structuredlight），通常采用特定波長的不可見的激光作為光源，它發(fā)射出來的光帶有編碼信息，投射在物體上，通過一定算法來計(jì)算返回的編碼圖案的畸變來得到物體的位置和深度信息，鏡頭需要定制鏡頭或者特殊鏡頭設(shè)計(jì)。

光飛行時(shí)間法（TOF），利用測量光飛行時(shí)間來取得距離，簡單來說就是，發(fā)出一道經(jīng)過處理的光，碰到物體以后會(huì)反射回來，捕捉來回的時(shí)間，因?yàn)橐阎馑俸驼{(diào)制光的波長，所以能快速準(zhǔn)確計(jì)算出到物體的距離。

TOF技術(shù)主要是為了實(shí)現(xiàn)3D成像而生，X，Y兩維的手機(jī)拍照大家都非常熟悉了，TOF在其基礎(chǔ)上增加了Z軸的深度信息。實(shí)現(xiàn)3D的其他方案還包括，散斑結(jié)構(gòu)光、編碼結(jié)構(gòu)光、雙目視覺以及雙目結(jié)構(gòu)光等，iPhoneX使用的就是散斑結(jié)構(gòu)光方案，而 iPhoneXs同樣采用了結(jié)構(gòu)光方案。

相對(duì)結(jié)構(gòu)光方案，TOF的3D方案實(shí)現(xiàn)起來更為簡單，主要包括投射器和接收模組，通過控制投射器發(fā)出經(jīng)調(diào)制的近紅外光波，遇物體后反射，接收模組計(jì)算發(fā)射光波和接收光波的時(shí)間差或相位差，換算成被拍攝景物的距離，以獲取深度信息。

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二、ToF

ToF（Time of Flight）飛行時(shí)間
字面理解就是通過光的飛行時(shí)間來計(jì)算距離

ToF的基本原理是通過紅外發(fā)射器發(fā)射調(diào)制過的光脈沖，遇到物體反射后，用接收器接收反射回來的光脈沖，并根據(jù)光脈沖的往返時(shí)間計(jì)算與物體之間的距離。這種調(diào)制方式對(duì)發(fā)射器和接收器的要求較高，光速那么快，對(duì)于時(shí)間的測量有極高的精度要求。

TOF技術(shù)同結(jié)構(gòu)光技術(shù)不同，TOF時(shí)間飛行法的原理是通過專用傳感器，捕捉近紅外光從發(fā)射到接收的飛行時(shí)間，判斷并計(jì)算出物體的距離信息。其發(fā)射的是持續(xù)不斷的“面光源”。光線遇到不可穿透物體會(huì)發(fā)生反射，利用這一原理，通過記錄反射光達(dá)到接收器的時(shí)間，由于光速和光波長已知，理論上便能快速計(jì)算出光源與物體的距離，由此得到一張被測物體的3D圖像。

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?在實(shí)際應(yīng)用中，通常調(diào)制成脈沖波（一般是正弦波），當(dāng)遇到障礙物發(fā)生漫反射，再通過特制的CMOS傳感器接收反射的正弦波，這時(shí)波形已經(jīng)產(chǎn)生了相位偏移，通過相位偏移可以計(jì)算物體到深度相機(jī)的距離。

原理不復(fù)雜，但要實(shí)現(xiàn)較高的測量精度，并將發(fā)射接收模塊小型化并不容易。

由于測量光的飛行時(shí)間需要非常高的頻率和精度，早期的ToF設(shè)備在體積上一直存在問題，成本也高，所以多只用于工業(yè)領(lǐng)域。ToF的小型化極大依賴于近年來集成電路與傳感器技術(shù)上的突破，使得在CMOS芯片上對(duì)光脈沖相位的測量逐漸變得可行。有芯片上的解決方案，才有小型化和低成本的產(chǎn)品出現(xiàn)。

據(jù)說目前最小的ToF模塊IRSZ238XC，整個(gè)模塊（包括傳感器，鏡頭IR發(fā)射器及電路）尺寸為12mm×8mm。外形更小巧，擁有比以前芯片更高的分辨率，達(dá)38,000像素。

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三、結(jié)構(gòu)光

結(jié)構(gòu)光 (Structured Light)
結(jié)構(gòu)光是通過紅外激光器，將具有一定結(jié)構(gòu)特征的光線投射到被拍攝物體上，再由專門的紅外攝像頭進(jìn)行采集反射的結(jié)構(gòu)光圖案，根據(jù)三角測量原理進(jìn)行深度信息的計(jì)算。

簡單來說就是通過近紅外激光器，將具有一定結(jié)構(gòu)特征的光線投射到被拍攝物體上，再由專門的紅外攝像頭進(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，以此來獲得三維結(jié)構(gòu)。如下圖：

iPhoneX上的Truedepth相機(jī)，用的是以色列PrimeSense公司的Light Coding技術(shù)。這種結(jié)構(gòu)光方案，通過投射人眼不可見的偽隨機(jī)散斑紅外光點(diǎn)到物體上，每個(gè)偽隨機(jī)散斑光點(diǎn)和它周圍一定范圍內(nèi)的點(diǎn)集在空間分布中的每個(gè)位置都是唯一的，并將預(yù)先進(jìn)行了存儲(chǔ)。

這些散斑投影在被觀察物體上的大小和形狀根據(jù)物體和相機(jī)的距離和方向而不同，由此計(jì)算深度信息。

投射的光點(diǎn)或圖案在任意不同空間中是不相同的，如下圖所示：

優(yōu)缺點(diǎn)：

這種方案和ToF相比，計(jì)算量少功耗低，在近距離范圍內(nèi)精度更高，所以在人臉識(shí)別，手勢識(shí)別方面極具優(yōu)勢。

當(dāng)然，結(jié)構(gòu)光的缺點(diǎn)也比較明顯。由于投射的經(jīng)過編碼的圖像或散斑光點(diǎn)，在室外容易被強(qiáng)自然光淹沒，所以結(jié)構(gòu)光方案在室外并不好用。當(dāng)物體距離相機(jī)較遠(yuǎn)時(shí)，物體上投射到的圖像或光點(diǎn)越大，精度也越差；它也容易受光滑平面的反光影響，比如投射到鏡子上。

P.S. 想象一下手電筒，幾萬個(gè)點(diǎn)投射在你手上，和投射在10米遠(yuǎn)處的物體上，每個(gè)點(diǎn)覆蓋的面積是不是放大了很多倍?精度就會(huì)自然降低很多。

?說回ToF技術(shù)。相較之下，ToF設(shè)備要求發(fā)光器件與接收器件間盡可能接近，越接近，由于發(fā)射-接收路徑不同所產(chǎn)生的誤差就越小。因此，ToF技術(shù)更利于設(shè)備的小型化，對(duì)于手機(jī)或是AR產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)輕便緊湊的外形非常重要。

而結(jié)構(gòu)光一定程度上相反，結(jié)構(gòu)光的精度和Baseline（投射器和接收模組的距離）關(guān)系非常大，Baseline間隔越長，精度就越高。常用的Baseline至少需要保證20mm以上。

從兩種技術(shù)的對(duì)比上看，TOF技術(shù)雖然實(shí)時(shí)性好、算法簡單，但存在傳感器技術(shù)不成熟、圖像分辨率低、成本高、功耗高等問題，目前其更多應(yīng)用在物體測距等領(lǐng)域。3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)測量精度高，可以達(dá)到1mm（毫米級(jí)），擁有功耗相對(duì)較低等諸多優(yōu)點(diǎn)，更適合用于近距離的人臉識(shí)別，在智能手機(jī)、刷臉支付等場景擁有巨大潛力，因此備受業(yè)界的重視。

參考資料? ??

https://zhuanlan.zhihu.com/p/51218791?

https://zhuanlan.zhihu.com/p/102806678

http://www.oeinc.cn/post/113.html