蘋果公司一向以技術(shù)驅(qū)動創(chuàng)新，每年都會在其硬件發(fā)布時引入的技術(shù)性創(chuàng)新。17年，在其重磅產(chǎn)品iPhone X —— 第十代iPhone身上，我們看到了人臉識別解鎖：Face ID。
其實蘋果公司在2013年就收購了PrimeSense公司，之后一直致力于將PrimeSense的深度相機(jī)小型化。iPhone X中創(chuàng)新之處就是使用了前置深度相機(jī)。現(xiàn)在，深度相機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)由智能終端解鎖，逐漸延伸至移動支付、活體檢測等場景，其背后的技術(shù)手段：3D結(jié)構(gòu)光，也漸漸走入了公眾視野。
【結(jié)構(gòu)光】：已知空間方向的投影光線的集合稱為結(jié)構(gòu)光。3D顧名思義，在三維空間上投影。基于結(jié)構(gòu)光的三維成像，實際上是三維參數(shù)的測量與重現(xiàn)，主要是區(qū)別于純粹的像雙目立體視覺之類的被動三維測量技術(shù)，需要投射結(jié)構(gòu)光到被測物體上，通過結(jié)構(gòu)光的變形(結(jié)構(gòu)光：Structured Light，或者飛行時間 Time of Flight——ToF)來確定被測物的尺寸參數(shù)。3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)主要是通過近紅外激光器發(fā)射的具有一定結(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。由于這種具備一定結(jié)構(gòu)的光線在被攝物體的不同深度區(qū)域，而導(dǎo)致采集后生成的圖像相對原始光線結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，然后通過運(yùn)算單元將這種結(jié)構(gòu)的變化換算成深度信息，我們便獲得了被拍攝物體的三維結(jié)構(gòu)。
目前3D結(jié)構(gòu)光方案主要應(yīng)用在智能機(jī)型的解鎖上，利用3D結(jié)構(gòu)光成像 比2D人臉解鎖更加安全, 技術(shù)門檻也自然更高。市場上能擁有自研3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)能力的企業(yè)并不多。
3D結(jié)構(gòu)光的整個系統(tǒng)包含結(jié)構(gòu)光投影設(shè)備、攝像機(jī)、圖像采集和處理系統(tǒng)。其過程就是投影設(shè)備發(fā)射光線到被測物體上，攝像機(jī)拍攝在被測物體上形成的三維光圖形，拍攝圖像經(jīng)采集處理系統(tǒng)處理后獲得被測物體表面數(shù)據(jù)。在這個系統(tǒng)中，當(dāng)相機(jī)和投影設(shè)備相對位置一定時，投射在被測物體上的光線畸變程度取決于物體表面的深度，所以在拍攝圖像中可以得到一張擁有深度的光線圖像。 3D結(jié)構(gòu)光模式包含點(diǎn)、線、面的模式，是指投射的光線類型。一般來說，由多條垂直雙向的線組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)常用，這種模式不需要掃描就可以實現(xiàn)三維的輪廓測量，而且速度快。
【投射圖案的編碼方式】
結(jié)構(gòu)光法投射的圖案需要進(jìn)行精心設(shè)計和編碼，結(jié)構(gòu)光編碼的方式有很多種，一般分為如下幾大類：
1、直接編碼(direct coding)
根據(jù)圖像灰度或者顏色信息編碼，需要很寬的光譜范圍。
優(yōu)勢：對所有點(diǎn)都進(jìn)行了編碼，理論上可以達(dá)到較高的分辨率。
缺點(diǎn)：受環(huán)境噪音影響較大，測量精度較差。
時分復(fù)用編碼(time multiplexing coding)
顧名思義，該技術(shù)方案需要投影N個連續(xù)序列的不同編碼光，接收端根據(jù)接收到N個連續(xù)的序列圖像來每個識別每個編碼點(diǎn)。投射的編碼光有二進(jìn)制碼(常用)、N進(jìn)制碼、灰度+相移等方案。
該方案的優(yōu)點(diǎn)：測量精度很高(高可達(dá)微米級)；可得到較高分辨率深度圖(因為有大量的3D投影點(diǎn))；受物體本身顏色影響很小(采用二進(jìn)制編碼)。
缺點(diǎn)：比較適合靜態(tài)場景，不適用于動態(tài)場景；計算量較大(因為識別一個編碼點(diǎn)需要計算連續(xù)N次投影)。
空分復(fù)用編碼(spatial multiplexing coding
根據(jù)周圍鄰域內(nèi)的一個窗口內(nèi)所有的點(diǎn)的分布來識別編碼。
該技術(shù)的優(yōu)勢：適用于運(yùn)動物體。
缺點(diǎn)：不連續(xù)的物體表面可能產(chǎn)生錯誤的窗口解碼(因為遮擋)。
【3D結(jié)構(gòu)光的衍生應(yīng)用】
· 3D人體測量
人體數(shù)據(jù)經(jīng)由3D結(jié)構(gòu)光模組掃描獲得，結(jié)果可以真實得反映被測者的體態(tài)，體格信息。據(jù)悉，3D結(jié)構(gòu)光用于測量身高，臂長等信息所需時間在數(shù)秒左右，誤差可以控制在毫米級，可以被用于人體建模、體征識別等用途。
· 物體體積測量
3D結(jié)構(gòu)光可以測量深度信息，對于物流行業(yè)，3D結(jié)構(gòu)光可以用于快速識別物體的長、寬、高信息，由此物流公司可以更好的規(guī)化倉儲管理，合理利用存儲、運(yùn)輸空間，從而提高空間利用率。
· 實物3D建模
深度相機(jī)可用于環(huán)境感知、3D掃描、SLAM、手勢識別等用途，在AR/VR領(lǐng)域增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實的融合與互動；圖中設(shè)備可理解為觸屏一體機(jī)附加結(jié)構(gòu)光模組，便于設(shè)計師快速獲取物體三維圖像和信息。
· 人臉3D建模
3D結(jié)構(gòu)光可以對人體、面部進(jìn)行實時建模，對于人臉識別布控場景可減少面部遮擋等因素對結(jié)果的影響，因此擁有廣泛的應(yīng)用前景。
· 人臉識別支付
目前指紋支付功能已經(jīng)非常成熟，人臉識別主要被應(yīng)用于支付身份核實、登陸身份核實，作以補(bǔ)充。
【3D結(jié)構(gòu)光方案綜述】
1、優(yōu)點(diǎn)
· 由于結(jié)構(gòu)光主動投射編碼光，因而非常適合在光照不足(甚至無光)、缺乏紋理的場景使用。
· 結(jié)構(gòu)光投影圖案一般經(jīng)過精心設(shè)計，所以在一定范圍內(nèi)可以達(dá)到較高的測量精度。
· 技術(shù)成熟，深度圖像可以做到相對較高的分辨率。
2、缺點(diǎn)
· 室外環(huán)境基本不能使用。這是因為在室外容易受到強(qiáng)自然光影響，導(dǎo)致投射的編碼光被淹沒。增加投射光源的功率可以一定程度上緩解該問題，但是效果并不能讓人滿意。
· 測量距離較近。物體距離相機(jī)越遠(yuǎn)，物體上的投影圖案越大，精度也越差(想象一下手電筒照射遠(yuǎn)處的情景)，相對應(yīng)的測量精度也越差。所以基于結(jié)構(gòu)光的深度相機(jī)測量精度隨著距離的增大而大幅降低。因而，往往在近距離場景中應(yīng)用較多。
· 容易受到光滑平面反光的影響。
3D結(jié)構(gòu)光方案模組傾向于小型化設(shè)計，對于芯片設(shè)計、生產(chǎn)工藝具有很高要求，因此目前擁有自主3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)并投入應(yīng)用的公司并不多：華為、蘋果、奧比中光、intel (RealSense)、微軟 (kinect)。
現(xiàn)階段的主要用于智能機(jī)型上進(jìn)行解鎖、身份核對，解鎖/識別準(zhǔn)確度與速度均優(yōu)于指紋識別。在虛擬交互方面，也已被用于體感游戲、手勢控制等用途。3D結(jié)構(gòu)光在應(yīng)用場景落地的技術(shù)條件已經(jīng)具備，更多衍生的應(yīng)用場景正在開發(fā)和嘗試當(dāng)中。
