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3D成像和传感系统的基本设计注意事项

2022-08-16 16:31:00

相机已经彻底改变了智能手机、汽车、监控和提供增强现实（AR）和虚拟现实（VR）功能的小玩意儿。现在，3D 传感器通过同时实时检测和分类各种物体，将这一成像革命提升到一个新的水平。

Apple 的 iPhone X 采用 3D 面部识别而不是指纹传感器或 PIN 就是一个很好的例子。这款引领潮流的手机现在正考虑采用支持 3D 感应的面部识别技术，以确保生物识别技术用于移动支付、手势感应以及身临其境的购物和游戏体验。

值得一提的是，3D 传感在 1990 年代中期以垂直腔面发射激光器（VCSEL）技术的形式首次出现在数据通信中。快进到 2017 年：Apple 在 iPhone X 中集成了三个不同的 VCSEL 芯片用于接近传感器和用于准确面部识别的 Face ID 模块，从而将 3D 传感带入了消费领域。

Android 手机制造商纷纷效仿采用 3D 传感技术，而像 ams 这样的传感器供应商也开始发布 VCSEL 芯片来为前置和后置 3D 摄像头供电。这些智能手机将能够准确计算房间的深度，识别虚拟游戏中的手势，并在现实对象的前后显示虚拟角色。

根据市场研究公司 Gartner Inc. 的数据，到 2021 年，近 40% 的智能手机将配备 3D 摄像头。这些支持 3D 传感器的智能手机将在促进 AR 功能等下一代交互式视觉体验方面发挥重要作用。

但是，虽然智能手机正在加速高精度 3D 传感的开发和商业化，但我们也看到基于 3D 传感的摄像头系统在从汽车到工业再到监控的广泛领域得到采用。

3D 传感器基础知识3D 传感器可区分对象，在绘制大面积区域时确定位置，并创建对象或环境的详细图像。这使得 3D 感应相机解决方案成为扫描、深度感应和面部识别应用的关键组成部分。

有两种主要技术用于以 3D 格式捕获和呈现信息：结构光和飞行时间（ToF）。结构光传感系统投射一个活跃的点图案，并通过分析该图案的变形来获得深度。例如，第一代 Kinect 使用了结构光相机。

ToF 可能是 3D 传感器中使用最广泛的技术，它发出不可见的激光脉冲并测量它们反弹所需的时间。第二代 Kinect 采用了 ToF 摄像头。ToF 传感器之所以受到关注，是因为它们能够实现设备小型化和能源效率。另一方面，结构光传感器可以以合理的成本提供更高分辨率的映射。

3D 传感器由负责发射和反射红外光强度的接收光学器件和像素灵敏度至关重要的 3D 传感芯片组成。3D 传感芯片，通常是 VCSEL 设备，充当光源，用红外光照亮像人脸一样的物体。

以面部识别为例，其中 VCSEL 芯片用红外光均匀地照亮面部。接下来，3D 传感器捕捉用户的关键特征，并将其与存储在系统中的用户图像进行比较。如果两个数据集匹配，智能手机将解锁。

VCSEL 芯片更容易安装，并且与激光二极管不同，它对温度波动不太敏感。这反过来又为其在汽车、工业和安全应用中的使用铺平了道路。

3D 系统集成光学传感和成像解决方案需要完整和优化的硬件和软件系统。这也使 OEM 和系统集成商能够加速 3D 传感技术在支持面部识别的移动支付、Animoji 创建以及增强和虚拟现实中的部署。

这就是 3D 传感器供应商ams与人脸识别算法专家旷视的 Face++ 携手合作的原因。两家公司正在协调他们的设计工作，以确保 ams 的 3D 光学传感硬件和 Face++ 的软件算法相互优化。

来自奥地利的 ams 的 3D 光学传感系统采用红外光投影仪来映射现实世界物体的表面，例如用户的面部。将这些 3D 传感系统与面部识别算法相结合，使设计人员能够避免与 3D 传感软件和硬件集成相关的开发风险和时间。

来自 Himax Technologies的有源立体摄像头（ASC）参考设计是 3D 传感系统内部集成工作方式的另一个示例。台湾 Himax 的 3D 感应解决方案针对 Android 智能手机的面部识别和安全在线支付。

Himax 与移动处理器供应商联发科和旷视科技合作开发了这款 3D 传感系统，旷视科技是一家围绕 Face++ 软件构建的面部识别解决方案的中国开发商。ASC 参考设计将联发科的立体匹配深度引擎和旷视基于 Face++ 的计算机视觉算法与 Himax 的投影仪、传感器和激光驱动器相结合。

Himax 还与人工智能（AI）专家 Kneron 合作，将 3D 传感器从智能手机扩展到安全和监控等应用。在这里，Himax 正在用 Kneron 的 AI 处理器和面部识别算法补充其结构光模块（SLiM），以将深度学习技术带入网络边缘。

这使得该模块能够为各种应用提供具有更高分辨率和精度的 3D 深度图生成。SLiM 在室内和室外环境中促进的 3D 传感应用包括面部识别、3D 重建和场景感知。

下一次成像革命3D 传感设计最初是在智能手机领域推动的，但将面部识别等 3D 光学传感技术引入智能手机需要十多年的时间。现在，新一波 3D 传感应用程序已准备好为增强现实、3D 映射、机器人、无人机等提供动力。

这些光学传感解决方案——提供前所未有的精度和图像分辨率——针对各种扫描、面部识别和交互系统进行了优化。这些 3D 图像传感器的外形尺寸和功耗也在缩小，以支持智能手机中面部识别以外的用例。

例如，Occipital 的 3D 传感器Structure Core可在平板电脑和其他移动设备上提供 3D 扫描和映射。同样，3D 传感系统也被用于材料加工和光纤耦合激光泵浦等工业应用。

3D 传感和成像革命已经到来，它将扰乱许多市场。看看 3D 传感如何区分 iPhone X，以及 Android 手机如何在这方面努力实现平衡。物联网开发人员应该注意，因为嵌入式系统可能是一个类似的故事。　

审核编辑：彭静