O3D 3D Sensor with
PMD time-of-flight technology
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知象光電
隨著 3D 成像技術日趨成熟，3D 攝影機已經出現在日常服務、金融支付、物流分揀、加工製造等越來越多的應用場景中。但仍有許多使用者，由於不甚瞭解不同類型 3D 攝影機之間的差異，在進行設備選擇時存在諸多困惑。本文將系統介紹各類 3D 攝影機的基本原理、特點以及相互之間的差異，幫助您更好地完成相機選型。
什麼是 3D 攝影機
普通數位相機輸出的圖像以二維像素網格構成。依據每個像素的屬性將其定義為紅色（Red）、綠色（Green）、藍色（Blue），通常稱為 RGB。不同屬性的像素可以用 0－255 的數字來表示，例如，黑色的相應值為（0，0，0），純鮮紅色的相應值是（255，0，0）。成千上百萬的像素可以構成我們常見的照片。
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| 高精度 3D 攝影機 Ailook 支持 3D 即时成像 |
3D 攝影機的不同之處在於，它可以測量普通數位相機無法測量的深度數據。所謂深度數據，就是像素到攝影機的距離。所以 3D 攝影機可以獲取四個值，分別是 RGB 值和深度資訊，即RGB－D。
3D 攝影機輸出的深度資訊，可以透過不同的形式顯示出來。在上圖示例中，左邊為彩色圖，右邊為深度圖。深度圖中的不同顏色，表示像素到相機的距離，青色表示距離相機最近，而紅色則表示距離攝影機最遠。其實深度圖的顯示，使用什麼顏色不重要，只是為了便於辨識。
3D 攝影機的常見類型
3D 攝影機透過其使用的深度數據計算方式，來進行分類。不同類型的 3D 攝影機都有其優點與限制性，所以選取何種 3D 攝影機，就取決於使用者的實際需求。常見的選型要素有：最遠測量距離、最高精度、是否支持戶外使用這三點。
1．結構光與編碼光
結構光 3D 攝影機機與編碼光 3D 攝影機，都是透過光源發射器投射光（通常是紅外光）到物體。所投射的光是有特定圖案的。這種特定的圖案，可以從視覺層面進行設置，也可以從時間層面進行設置，還可以是這兩個方式的結合。
由於光投影的圖案是既定的，所以 3D 攝影機的內置感測器，透過辨識場景中的圖案，就可以獲取到深度資訊。例如下圖，如果光的既定圖案是一系列條紋，當它投射到一個球上，這些條紋將會依據球的表面，產生特定形變，且當球靠近光源發射器時，圖案還會發生相應的改變。
利用既定圖像，與攝影機辨識到的實際圖像之間的差異，可以計算出每個像素到攝影機的距離。這項技術的核心是需要精準辨識所投射的光的圖案。
但是攝影機投射出的光的功率，會因為距離變大而衰減，還會受到環境中其他攝影機或設備，發出的紅外線噪音的干擾，因此，編碼光和結構光攝影機適合在室內，進行短距離作業。
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工業 3D 攝影機 Surface 採用雙目紅外結構光技術
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2．立體視覺
立體視覺攝影機依據內置的感測器數量，可分為單目立體視覺攝影機（內置單個感測器）與雙目立體視覺（內置兩個感測器）攝影機。由於它們工作原理相同，以下舉例均以雙目立體視覺技術為例進行介紹。
立體視覺攝影機常利用紅外光來提高測量精度，並且可利用一切光進行測量，這一點不同於上文介紹的編碼光，或結構光 3D 攝影機。雙目立體視覺攝影機內置兩個感測器，可以分別得到出兩組圖像的深度資訊。由於感測器之間的距離是已知的，透過計算，便可以得到被測對象的深度資訊。
雙目立體視覺攝影機的工作原理，與人眼進行深度感知的原理類似。人的兩眼分別可看見一幅圖像，大腦可以計算出兩眼之間的差異，距離物體近的一隻眼，所辨識出的物體移動幅度更大，而距離物體遠的一隻眼，所辨識出的移動幅度，就就小一些。
雙目立體視覺攝影機在大多數照明條件下，甚至是戶外，它都能保持良好的性能。如為其配置紅外光發射器，那麼即使在光照條件差的環境中，它依然能敏銳感知深度資訊。
雙目立體視覺攝影機的另一個優點是，在特定場景中，攝影機的使用數量是沒有限制的，不會出現多個編碼光攝影機或TOF相機，同時使用時出現的互相干擾的問題。
雙目立體視覺攝影機所能測量的距離，取決於兩個內置感測器之間的距離，也就是基線距離。基線距離越寬，相機可測試的距離就越遠。事實上，天文學家們使用一種相似的技術，來測量恆星距地球的距離。
先測量一顆恆星在天空中的位置，六個月後，當地球運轉到軌道中，離原始測量點最遠位置時，再次測量同一恆星位置。這樣，天文學家就可以利用大約 3 億公里的基線距離，計算出恆星距離地球的位置（恆星的深度資訊）。
3．TOF 攝影機
每種 3D 攝影機都依賴已知資訊來推斷深度資訊。例如，在立體視覺技術中，基線距離是已知的。在編碼光和結構光技術中，光的圖案是已知的。而在 TOF 技術（Time of Flight）方面，光速則是用來計算深度的已知變量。
所有類型的 TOF 攝影機都會發射某種光線，用來掃射全場，然後測算光反射回來的時間。根據光的功率和波長，TOF 攝影機可適用遠的距離的測量工作，例如，用 TOF 攝影機在直升機上，進行地圖繪製的相關測量工作；汽車自動駕駛中常使用的雷射定位器。
TOF 攝影機的缺點是，在相同空間內，其他攝影機的光會對它們造成較強干擾，而且在室外環境下也不適用。
你能用 3D 攝影機做什麼？
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工業 3D 攝影機 Raygo 重複精度最高可達 5μm
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3D 攝影機可以讓任何設備和系統，不需要人工干預的方式理解場景。雖然電腦可以實現理解 2D 圖像，但這需要投入大量的時間和成本，來訓練機器學習網路。
3D 攝影機本身可提供一些，無需訓練便可辨識的資訊，例如，3D 攝影機可直接區分前景、背景、場景，從圖像中剔除背景物，這對於需要分割背景的相關應用中，非常有幫助。
本文為解釋 3D 攝影機的類別及工作原理，列舉了一些應用場景。而實際上，3D 攝影機可應用的範圍，遠比這廣泛的多。未來，3D 視覺技術不僅能幫助設備看得更遠、更立體、更精準，同時還能聯合人工智慧，助力更多領域的升級、創新。
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