一、3D 摄像头发展背景
3D 摄像头相比传统摄像头，在硬件上最大的不同是前端引入了vcsel模组。3D摄像头特点在于除了能够获取平面图像以外，还可以获得拍摄对象的深度信息，即三维的位置及尺寸信息，其通常由多个摄像头+深度传感器组成。
3D摄像头可实现实时三维信息采集，为消费电子终端加上了物体感知功能，从而引入人机交互、人脸识别、三维建模、AR、安防和辅助驾驶等多个应用场景。
根据预测数据，3D摄像头市场规模将从2015年的12.5亿美元增长到2021年的78.9亿美元，年均增长率达35%
根据硬件实现方式的不同，目前行业内所采用的主流3D机器视觉大约有三种：结构光、TOF 时间光、双目立体成像。
三种主流的方案（结构光、TOF时间光、双目立体成像）中，比较成熟的是结构光和TOF时间光。其中结构光方案最为成熟，已经大规模应用于工业3D视觉领域，但是极易受到外界光的干扰、响应速度较慢、识别精度较低，而TOF方案在这几个方面均比结构光方案具有一定的优势，因此TOF成为了目前在移动端被看好的方案。双目立体成像方案抗环境光干扰强，分辨率高，也是移动端可选方案之一，但是技术较新不够成熟，目前在机器人、自动驾驶领域应用较多。
三种识别技术对比 | |||
- | 结构光 | TOF | 双目立体成像 |
原理 | 单相机和投影条纹斑点编码 | 红外光反射时间差 | 双相机和图像相关 |
响应时间 | 慢 | 快 | 中 |
低光环境表现 | 良好，取决于光源 | 良好（红外激光） | 弱 |
强光环境表现 | 弱 | 中等 | 良好 |
深度精确度 | mm-cm，中等 | um-cm，高 | cm，低 |
分辨率 | 中等 | 低 | 高 |
识别距离 | 极短（mm）至中等（4-6m），受光斑图案所限制 | 短距离（不足1m）至长距离（10m），受光源强度限制 | 中等，依赖于两颗摄像头的距离 |
软件复杂程度 | 中等 | 低 | 高 |
材料成本 | 高 | 中等 | 高 |
功耗 | 中等 | 低 | 低 |
缺点 | 容易受光照影响，强光照下不 适合 | 总体性能好，但是平面分辨率 低 | 昏暗环境中不适合、特征 不明显 |
TOF与结构光的区别在于对红外光的使用方式不同，TOF通过计算红外光发出光线与返回光线之间的向位移变化换算为位臵信息，而结构光依靠向物体投射一系列光线图案组合，然后通过检测光线的边缘来测量距离，二者的硬件结构是类似的。二者比较明显的区别在于，在红外光发射端，TOF基本不需要使用光学棱镜，而结构光由于需要形成特定的光学图案，所以需要添加DOE（衍射光栅）和Lens（光学棱镜）。
算法方案国内外提供商 | ||
算法方案 | 国内提供商 | 国外提供商 |
结构光 | 奥比中光、华杰艾米、图漾科技 | PrimeSense、英特尔、Heptagon |
TOF | 海康威视、舜宇光学、乐行天下 | 德州仪器、意法半导体、微软、英飞凌 |
双目成像 | 图漾科技、纵目科技、凌云光技术、西纬科技、弼智仿生 | 英特尔、LeapMotion |
二、3D摄像头结构
3D摄像头主要硬件包括四部分：红外光发射器（IR LD或Vcsel）、红外光摄像头（IR CIS或者其他光电二极管）& 可见光摄像头（Vis CIS）、图像处理芯片。
整个三维视觉系统的工作原理为：首先红外激光发射器发射出近红外光，经过人手或人脸反射之后，被红外图像传感器所接收，这个图像信息用来计算人手所处的位置（Z 轴）；同时，可见光图像传感器采集二维平面（X与Y轴）的人手信息（Vis Light）；两颗图像传感器的信息汇总至专用的图像处理芯片，从而得到人手或人脸的三维数据，实现空间定位。
3D摄像头需配置双摄像模组，组装良率比一般模组低5%—15%，双摄模组成本目前约在12-25美元，是单摄像头的1.5—3倍；iPhone所使用的双摄规模更为高端，成本预估超过30美元。
三、3D摄像头产业链
iPhone8将采用的3D摄像头，使激光发射器产业链厂商的下游，从光器件行业扩展到消费电子领域，从0到1打开新的市场。
图像处理芯片需要将红外光CIS采集的位置信息与可见光CIS采集的物体平面信息处理成单像素含有深度信息的三维图像。该芯片具有一定的技术壁垒，对于算法层面的要求较高，目前全球范围内可以提供该类产品的公司为少数几家芯片巨头。
摄像头模组&滤波组件环节，对于3D视觉而言，IR红外摄像头与RGB可见光摄像头在滤色片方面存在较大的差异。传统的RGB可见光摄像头，需要采用高通红外滤色片，将不必要的低频近红外光过滤掉，以免红外光线对可见光部分造成影响，产生伪色或波纹，同时可以提高有效分辨率和彩色还原性。但是红外摄像头，为了不受到环境光线的干扰，需要使用窄带滤色片，只允许特定波段的近红外光通过，目前近红外窄带滤色片主要采用干涉原理，需要几十层光学镀膜构成，相比于RGB 吸收型滤色片具有更高的技术难度和产品价格。
本文采编：CY317
