详解TOF 3D立体摄像头技术

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。

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。

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）。

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。

和前文提到的已经逐渐普及的、基于前置摄像头和软件算法实现的2D面部识别方案相比，iPhone X通过结构光带来的Face ID，具备金融级别的安全等级，因此苹果才敢让Face ID在解锁手机之外，还能用于购买应用以及支付Apple Pay。

如今，结构光技术已经不再是iPhone X的专利，小米8探索版、OPPO Find X等手机都先后引入了类似的技术，从而实现了媲美iPhone X的Face ID能力。需要注意的是，小米8探索版的结构光模块暂时只能用来解锁（通过屏下指纹识别用于支付），而OPPO Find X则已支持支付宝刷脸支付的功能。

从技术上来看，iPhone X、小米8探索版和OPPO Find X的结构光模块大致相同，只是在元器件叫法和点阵传感器类型和发射点的数量上存在差异。比如iPhone X将关键元件称为点阵投影器（散斑结构光，可发射3万个识别点）、红外镜头和泛光感应元件；小米8探索版叫点阵投影器（编码结构光，可发射3.3万个识别点）、红外相机和泛光照明元件（图9）；

Find X则称为点阵投影器（散斑结构光，可发射1.5万个识别点）、IR补光灯和IR摄像头（图10）。虽然细节上存在不同，但几款手机在面部解锁的体验上却基本相同。

结构光技术的缺陷

结构光技术帮助手机进入了3D视觉成像时代，但它的实际应用范围还是相对有限，比如它只能放在手机正面与前置摄像头做邻居，目前比较成熟的方案也就是面部解锁、面部支付、3D美颜以及类似Animojis的3D表情制作（图11）。

而未来结构光的优化方向则是实现3D静态建模，扫描用户3D头像信息用于游戏、3D视频通话或进行3D打印（图12）。

此外，结构光的特点是不必获取被拍摄物体的表面纹理，而是将一簇簇的光线投影到物体的表面，进而通过光线采集物体的位置以及三维纵深等信息。然而，正是因为结构光投射的是一簇簇的光线，如果距离过远光线就会发散从而失去识别能力，这也就造成了结构光仅能作用于近距离识别。

无论是iPhone X、小米8探索版还是Find X，只要手机距离面部超过1米左右解锁就会失效。当然，现实中我们手机解锁时距离我们也就是一臂的距离，并不影响结构光的识别，但如果用于更远距离的AR/VR交互就有些不够看了。

TOF技术：未来的趋势

TOF（Time of flight，飞行时间测距法）同样是一种用于3D视觉成像的技术，它和结构光一样，都是通过光线进行物体的识别，但二者在底层技术和识别效果方面却存在着极大的差异。

TOF技术的原理和优势

TOF技术的原理，就是通过专用传感器，给目标连续发送光脉冲，然后用传感器接收从物体返回的光，最终通过探测光脉冲的飞行（往返）时间来得到目标物距离。和结构光的点阵传感器相比，TOF技术在距离和精度上有了极大的改善：

1、结构光技术发射的是一簇簇的光线，而TOF技术发射的是一整面光线（图13），可以见有效深度信息点从3万个提升到30万个甚至更多。

当用户进行解锁和支付等涉及安全的操作时，TOF技术可带来更精细的深度成像，最大限度提升人脸识别的安全性，做到金融级别的安全保护（图14）。

2、结构光技术的最佳工作距离为0.2米到1.2米，而TOF技术最佳工作距离为0.4米到5m米（理论最高可达10米），更远的有效距离，可以进一步扩展3D视觉成像应用的范围和潜力；

3、TOF技术的传感器比结构光模块更少更小，成本相对更低，也可以简化手机主板布局，哪怕是仅有屏幕1/3宽度的“刘海”里也足够容纳相关的硬件单元；

4、TOF技术既可以与手机前置摄像头联姻，放在手机的额头位置，也能与手机后置镜头搭档，实现背部三摄的豪华布局。