作為SLAM（定位與地圖構(gòu)建）應(yīng)用的支撐，深度相機(jī)小型化必然帶動(dòng)SLAM技術(shù)普及。其中受益最大的當(dāng)屬手機(jī)和AR眼鏡。

    對(duì)于AR眼鏡來(lái)說(shuō)，SLAM是一項(xiàng)必備的底層技術(shù)。支撐這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵，就是用深度相機(jī)解決定位和建圖。為什么這么說(shuō)？因?yàn)橐粋€(gè)實(shí)用便攜的AR眼鏡，必定是經(jīng)常佩戴的，而且要滿足在各種場(chǎng)合無(wú)論室內(nèi)還是室外，都能有高精度、快響應(yīng)的穩(wěn)定性能。目前在各種深度相機(jī)方案當(dāng)中，符合這些性能，小型化，適合在AR眼鏡上使用的就是ToF技術(shù)。

    ToF技術(shù)到底是什么？和現(xiàn)在大熱的結(jié)構(gòu)光技術(shù)、雙目立體視覺(jué)技術(shù)到底有什么區(qū)別？分別都有哪些特性？

    一、ToF

    ToF（Time of Flight）飛行時(shí)間

    字面理解就是通過(guò)光的飛行時(shí)間來(lái)計(jì)算距離

    ToF的基本原理是通過(guò)紅外發(fā)射器發(fā)射調(diào)制過(guò)的光脈沖，遇到物體反射后，用接收器接收反射回來(lái)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(cè)量有極高的精度要求。

    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(guò)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(guò)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(cè)量精度，并將發(fā)射接收模塊小型化并不容易。

    由于測(cè)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(wèn)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(lái)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(cè)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(shuō)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。

    二、結(jié)構(gòu)光

    結(jié)構(gòu)光 (Structured Light)

    結(jié)構(gòu)光是通過(guò)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(cè)量原理進(jìn)行深度信息的計(jì)算。

    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(guò)投射人眼不可見(jiàn)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。

    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(shì)識(shí)別方面極具優(yōu)勢(shì)。

    投射的光點(diǎn)或圖案在任意不同空間中是不相同的

    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(guò)編碼的圖像或散斑光點(diǎn)，在室外容易被強(qiáng)自然光淹沒(méi)，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(wàn)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(shuō)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。

    三、測(cè)量距離、分辨率、開(kāi)發(fā)周期的對(duì)比

    測(cè)量距離方面，ToF也具備一定優(yōu)勢(shì)。由于ToF接收傳感器所接收的每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)物體表面的實(shí)際位置，只要有反射光回來(lái)，就可以通過(guò)解相位的方法獲取到深度。其測(cè)量精度不會(huì)隨著測(cè)量距離的增大而降低，其測(cè)量誤差在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)基本上是固定的。而且由于太陽(yáng)光并未經(jīng)過(guò)調(diào)制，可以簡(jiǎn)單認(rèn)為它對(duì)相位是沒(méi)有影響的，所以ToF對(duì)于室外強(qiáng)光環(huán)境也有一定的魯棒性。

    分辨率方面，采用ToF技術(shù)的深度相機(jī)分辨率目前還偏低，一般也就320*240的水準(zhǔn)，功耗上也略微不盡人意。

    開(kāi)發(fā)周期和解決方案方面，ToF因基于它的解決方案出現(xiàn)較晚，開(kāi)發(fā)群體較為薄弱。而結(jié)構(gòu)光技術(shù)，一方面PrimeSense（Kinect 1）當(dāng)年的如日中天留下了無(wú)數(shù)成型的解決方案，有Intel支持的RealSense又有著非常強(qiáng)大的SDK，這些都使得基于結(jié)構(gòu)光的開(kāi)發(fā)周期可以比較短。

    綜合來(lái)看，對(duì)于AR眼鏡，無(wú)論是設(shè)備小型化需要還是實(shí)現(xiàn)SLAM需要的實(shí)時(shí)三維建圖，ToF都有很大的優(yōu)勢(shì)。目前的一些“旗艦”產(chǎn)品 HoloLens 、 Magic Leap   One的深度攝像頭用的也都是ToF技術(shù)。

    當(dāng)然，ToF目前對(duì)于近距離的手勢(shì)識(shí)別精度還有待提高。隨著技術(shù)的發(fā)展，究竟哪種技術(shù)會(huì)成為主流還未可知，但終將會(huì)出現(xiàn)被大家廣泛使用于AR眼鏡的三維測(cè)量方案，到時(shí)AR眼鏡的普及率已經(jīng)有很大提升了吧。

    讓我們眼前一亮的總是我們未曾想到的東西，這才是科技最大的魅力，不是嗎？

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