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    非人脸识别和ToF技术 (2019-06-17)

    ToF技术


    ToF技术的原理是:测量发射红外(IR)信号与相位延迟计算每个Sensor像素到目标物体的距离。TOF是Time of flight的简写,直译为飞行时间的意思。所谓飞行时间法3D成像,是通过给目标连续发送光脉冲,然后利用传感器接收从物体返回的光,通过探测光脉冲的飞行时间来得到目标物的距离。TOF的深度精度不随距离改变而变化,基本能稳定在CM级。


    缺点:精确度低、空间分辨率低运动模糊(motion blur 相机运动或目标运动) 


    优点:TOF虽然目前精度在厘米级,比Leap Motion等毫米级要低,但目前的设备已经比Leap Motion等更小也更便宜,未来可以做到更小,能够植入移动端。


    TOF原理

    飞行时间法深度测量基本原理示意图


    (来源:计算机视觉life)


    飞行时间是从Time of Flight直译过来的,简称TOF。其基本原理是通过连续发射光脉冲(一般为不可见光)到被观测物体上,然后接收从物体反射回去的光脉冲,通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来计算被测物体离相机的距离。TOF法根据调制方法的不同,一般可以分为两种:脉冲调制(Pulsed Modulation)和连续波调制(Continuous Wave Modulation)。




    脉冲调制

    脉冲调制方案的原理比较简单,它直接根据脉冲发射和接收的时间差来测算距离,如下图所示。


    光脉冲法工作原理示意图


    (来源:计算机视觉life)


    脉冲调制方案的照射光源一般采用方波脉冲调制,这是因为它用数字电路来实现相对容易。接收端的每个像素都是由一个感光单元(如光电二极管)组成,它可以将入射光转换为电流,感光单元连接着多个高频转换开关(下图的G0,G1)可以把电流导入不同的可以储存电荷(下图S0,S1)的电容里。


    方波脉冲调制原理图


    (来源:计算机视觉life)


    相机上的控制单元打开光源然后再关闭,发出一个光脉冲。在同一时刻,控制单元打开和关闭接收端的电子快门。接收端接收到的电荷S0被存储在感光元件中。

    然后,控制单元第二次打开并关闭光源。这次快门打开时间较晚,即在光源被关闭的时间点打开。新接收到的电荷S1也被存储起来。具体过程如下图所示。

    光脉冲原理图(来源:计算机视觉life)


    因为单个光脉冲的持续时间非常短,此过程会重复几千次,直到达到曝光时间。然后感光传感器中的值会被读出,实际距离可以根据这些值来计算。

    脉冲调制的优点是测量方法简单,响应较快;由于发射端能量较高,所以一定程度上降低了背景光的干扰。但也存在缺点:发射端需要产生高频高强度脉冲,对物理器件性能要求很高;对时间测量精度要求较高;环境散射光对测量结果有一定影响。


    连续波调制

    实际应用中,通常采用的是正弦波调制。由于接收端和发射端正弦波的相位偏移和物体距离摄像头的距离成正比,因此可以利用相位偏移来测量距离。

    连续波调制原理示意图


    (来源:计算机视觉life)


    连续波调制的测量原理相对脉冲调制来说复杂一些。同样具备优缺点,


    优点:

    -相位偏移相对于脉冲调试法消除了由于测量器件或者环境光引起的固定偏差。

    -可以根据接收信号的振幅A和强度偏移B来间接的估算深度测量结果的精确程度(方差)。

    -不要求光源必须是短时高强度脉冲,可以采用不同类型的光源,运用不同的调制方法.


    缺点:

    -需要多次采样积分,测量时间较长,限制了相机的帧率。

    -需要多次采样积分,测量运动物体时可能会产生运动模糊。


    微软推出了两款Kinect,Kinect一代(Kinect v1)是基于结构光原理的深度相机,Kinect二代(Kinect v2),正是基于TOF原理的深度相机。

    纽豪斯认为,ToF既然是一种非常好的测距技术,那么用于非人脸识别领域最适合不过了。相比较3D结构光方案,ToF还可以适用于室外场景,适用性得到大大的加强。




    参考文献:


    深度相机技术对比,人人智能,王海增

    双目立体视觉的数学原理,沈子恒,https://blog.csdn.net/shenziheng1/article/details/52883536

    深度相机原理揭秘--结构光,计算机视觉life,https://blog.csdn.net/electech6/article/details/78707839

    深度相机原理揭秘--飞行时间(TOF),计算机视觉life,https://blog.csdn.net/electech6/article/details/78349107

    3D ToF技术市场热度高居不下,系统级解决方案引爆新一轮行业应用浪潮,MEMS,麦姆斯咨询

    -全文完-


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