3D传感——改变游戏规则的人

3D传感技术使用光学技术模仿人类视觉系统,从而促进了增强现实,人工智能(人工智能)和物联网(IoT)的出现和集成。这在消费者应用中创造了独特的机会。

  三维(3D)技术是一项重大的科学突破。

  这是一种深度感应技术,可增强相机的面部和物体识别能力。捕获现实世界对象的长度,宽度和高度的过程比使用多种不同技术所能实现的更加清晰和深入。3D技术在感知和处理日常活动方面提供了独特的进步。

  3D真正改变了游戏规则,因为制造商争先恐后地将3D传感技术融入到诸如手机之类的消费产品中。

  北京时间2020年10月14日凌晨,苹果正式发布了iPhone 12系列四款机型,跟之前爆料的一样,iPhone 12 Pro和iPhone 12 Pro Max都加入了此前iPad Pro曾率先采用的基于dToF技术的激光雷达扫描仪,这也意味着苹果在ToF技术应用上的进一步加码,而此举或将加速引爆整个ToF市场。

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  3D传感技术使用光学技术模仿人类视觉系统,从而促进了增强现实,人工智能(人工智能)和物联网(IoT)的出现和集成。

  这在消费者应用中创造了独特的机会。

  推动3D传感进步的关键技术

  3D传感的发展与实现需要开发高质量传感器和高效算法。例如,垂直腔面发射激光器(VCSEL)正在取代LED或边缘发射激光二极管,成为3D传感的主流光源技术,因为它们简单、光谱窄、温度稳定。

  许多推动3D传感进步的关键技术都有其优点和缺点。立体视觉、结构光模式和飞行时间是3D传感的三种技术。这三种技术都有其共同的用例和各自的优势。

  立体视觉

  立体视觉技术的结构来源于人眼捕捉任何图像的方式。两个摄像头被放置在稍微偏移的位置(就像人眼一样)。然后,利用软件将两幅捕捉到的图像合并成一张图片。不同的摄像头位置所产生的微小差异,就形成了立体,即3D画面。

  在辅助立体视觉中,部署了一个激光投影模块,它在物体或场景上投射出圆点,帮助摄像机更容易聚焦。捕捉到的图像经过处理后,会呈现出深度效果。

  例如,安装在门口等处用于监控人员行动的子弹摄像机就采用了这种技术。美国FLIR Systems公司生产的立体视觉摄像机系统就采用立体视觉技术。

  结构化光型

  结构化光型3D传感的工作原理是:先由线、方块(周期性结构)或点组成的光图案通过激光投影模块投射到物体或场景上,再通过反射光形成一个扭曲的图案。然后,来自目标的反射光被安装在投影模块上的三角形摄像机捕捉,再通过投影模块和摄像机之间的三角测量实现的图案变形有助于获取物体或场景的三维坐标。

  最常见的例子是iPhone X中使用的真深度摄像头,这种技术的前置摄像头增加了一个红外发射器,可以将超过3万个已知图案的点投射到用户的脸上。然后,这些点会被专门的红外相机拍摄下来进行分析,从而将分析后的图像用于访问手机。

  飞行时间(ToF)

  3D ToF直接由投影模块发射短光闪光,再由摄像模块捕捉,并与系统集成。计算出光从发射器到物体再到相机所需的时间,然后用坐标对数据进行处理,生成三维图像。

  在某些情况下,相位差被用来计算被检测物体的深度和运动。光源在整个工作温度范围内的波长稳定性对保持跟踪精度至关重要,因为通常在接收路径中应用滤波器以最小化接收信号中的噪声。

  飞行时间相机传感器可用于物体扫描、测量距离、室内导航、避障、手势识别、跟踪物体、测量体积、反应式高度计、3D摄影和增强现实游戏等。

  3D传感技术的应用

  在过去的10年里,消费电子市场经历了3D深度感应技术的缓慢应用。该技术的首次商业应用是在游戏领域。

  随着发展,3D深度感应技术在3D成像和检测领域的适用性有所扩大。移动设备能够以三维而非二维的方式捕捉图片,这也是促使三维传感技术应用性不断增强的关键因素之一。

  与3D传感相比,虹膜扫描是一种更简单的技术,它在视频图像上使用数学模式识别技术。它可以让摄像模块扫描你的眼睛,将虹膜与文件上的图像进行对比,并以类似过去指纹的方式确认用户的身份。虹膜扫描技术应用于门禁控制、汽车安全和移动支付等场景中,三星Galaxy S9和S9+就嵌入了虹膜扫描技术。

  而由于对虚拟化解决方案的需求不断增加,3D传感技术在机器人行业的适用性已经扩大。这项技术越来越多地应用于消费类、汽车、无人机和工业应用。

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  1、消费性电子产品的应用

  手势应用将人类的动作(脸部、手部、手指或全身)转化为符号指令,以指挥游戏机、智能电视或便携式计算设备。

  在游戏行业中,3D传感的使用非常显着。3D传感技术在虚拟现实游戏中的使用,帮助玩家仅仅通过手势控制游戏,而不需要与游戏机有任何物理接触。许多这些用例都依赖于智能软件,特别是在涉及到由机器学习驱动的图像识别情况时。智能手机公司正专注于在其设备中加入3D传感器。

  第一代AR依靠标准后置摄像头,已经开始影响社交媒体和电子商务。它允许社交媒体用户创造有趣的3D效果,并帮助宜家等家具制造商的客户在购买家具之前虚拟地放置和布置家具。

  计算机视觉信号处理、机器学习和ToF等技术的结合,有助于电子产品或其功能的创造。但3D传感技术在消费电子行业面临着三个明显的挑战:

  需要精确测量设备与用户之间的距离。

  需要具体解释ToF或结构光的参数,同时进行面部或虹膜识别的算法。

  与使用时消耗的电量有关的缺点,加上电池寿命。

  2、汽车行业的应用

  3D传感技术可以在检测到汽车附近的人和物体时,向驾驶员发出警报,从而提高安全性;它还有助于辅助驾驶,比如该技术被长途司机用来监控自己的行为:卡车内部的一个装置会检测到司机的动作,并发出警告。

  辅助驾驶/自动驾驶辅助系统(AD/ADAS)集成了3D传感技术,在增强驾驶体验的同时,提高了安全性。AD主要采用ToF传感器进行检测和辅助动作。

  3D传感技术还有助于提高驾驶者的舒适性和便利性,为他们提供访问信息娱乐控制、驾驶舱控制和换档控制等功能。意法半导体开发的ToF 3D深度传感器在非手势应用方面有多种用途。

  汽车行业在使用ToF深度测距相机方面走在了无人机行业的前面,而在无人机中使用3D传感技术仍在不断发展。

  3、无人机中的应用

  一些技术公司将3D传感器、软件和算法结合起来,以提供一个全面的解决方案。例如,无人机可以结合ToF、激光雷达、立体视觉和超声波传感器,使其能够在自主飞行模式下与避撞系统一起工作。

  下面列出了3D传感在无人机中的各种应用:

  室内导航

  手势识别

  对象扫描

  避免碰撞

  追踪对象

  测量体积

  监视目标区

  计数物体或人

  快速精确的目标距离读数

  增强现实/虚拟现实

  估计物体的尺寸和形状

  增强型3D摄影

  4、应用于电子小工具

  苹果、三星和索尼等各大电子巨头都在他们的小工具中加入了3D传感技术,以提供最独特的用户体验。

  比如,目前一种可以透过墙壁捕捉图像的3D成像传感器正在开发中。这一功能可能是家庭安全系统的重大突破,因为个人可以从远处监控家中的不同房间。该传感功能可针对有线电视公司、宽带和智能家居领域。由于传感器能够监控一个房间内几个人的动作和活动,因此有望确保住宅的绝对安全。该功能可能有助于减少有线电视公司提供的设备的安装周转时间。

  结语

  3D传感旨在将设备与现实世界连接起来,以提升终端用户的体验。

  3D传感在智能手机中的应用越来越多,一方面推动了手机的小型化、功耗和成本的降低,另一方面也推动了性能的提升。这也使得3D传感在其他终端应用中的扩大使用,如汽车和工业机器人。

  未来几年,这些应用对3D传感的需求或将是一种硬需求,因为这些应用都有安全或保障的成分。

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枭枭

集成电路设计行业资深记者,传感器专家网专栏编辑。