3D视觉传感器

3D视觉传感器

早期3D传感系统一般都使用LED作为红外光源，但是随着VCSEL芯片技术的成熟，在精确度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面占优，因而现在常见的3D摄像头系统一般都采用VCSEL作为红外光源。

主动测距方法的基本思想是利用特定的、人为控制光源和声源对物体目标进行照射，根据物体表面的反射特性及光学、声学特性来获取目标的三维信息。其特点是具有较高的测距精度、抗干扰能力和实时性，具有代表性的主动测距方法有结构光法、飞行时间法、和三角测距法。

根据投影光束形态的不同，结构光法又可分为光点式结构光法、光条式结构光法和光面式结构光法等。

飞行时间（Time of Flight，简称ToF）法，又叫做激光雷达（LiDAR）测距法。它将

脉冲激光信号投射到物体表面，反射信号沿几乎相同路径反向传至接收器，利用发射和接收脉冲激光信号的时间差可实现被测量表面每个像素的距离测量。

三角测距法又称主动三角法，是基于光学三角原理，根据光源、物体和检测器三者之间的几何成像关系来确定空间物体各点的三维坐标。在实际测量过程中，它常用激光作为光源，用CCD相机作为检测器。这种方式主要用于工业勘探、工件表面粗糙度检测、轮胎检测、飞机检测等工业、航空、军事领域，在消费电子类产品还不曾涉及。

单目视觉是指仅利用一台照相机拍摄一张相片来进行测量。因仅需要一台相机，所以该方法的优点是结构简单、相机标定容易，同时还避免了立体视觉的小视场问题和匹配困难问题。

双目立体视觉的基本原理是从两个视点观察同一景物，以获取在不同视角下的感知图像，然后通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差（视差）来获取景物的三维信息。这一过程与人类视觉感知过程是类似的。

多目立体视觉系统是对双目视觉系统的一种拓展。所谓多目立体视觉系统，就是采用多个摄像机设置于多个视点，或者由一个摄像机从多个视点观测三维景物的视觉系统。

对多目系统所采集到的景物图像进行感知、识别和理解的技术被称为多目立体视觉系统技术。在双目立体视觉中，对于给定的物体距离，视差与基线长度成正比，基线越长，对距离的计算越精确。但是当基线过长时，需要在相对较大的视觉范围内进行搜索，从而增加计算量。利用多基线立体匹配是消除误匹配、提高视差测量准确性的有效方法之。基线数目的增加可以通过增加相机来实现。

下图是传统2D与提出的3D拍照图像传感器芯片与系统，(a)是传统2D拍照图像传感器芯片与系统，图中主要包括2DCMOS图像传感器芯片和定焦镜头，当拍照的时候，物体上所有的像素点都映射到AA'平面上，因此系统拍照得到的是一个2维图像。图2(b)是提出的3D拍照图像传感器芯片与系统，图中主要包括3DCMOS图像传感器芯片和液体变焦镜头。其中3DCMOS图像传感器芯片的特点是响应速度快、动态范围高、具有焦距判断、输出控制信号改变液态镜头的功能。液态变焦镜头是近两年发展起来的新型变焦镜头，通过改变施加在液体上的电压而改变焦距，比如拍照AA'平面时，液体变焦镜头的形状如图中的

实线所示，如果拍照BB'平面时，液体变焦镜头的形状如图中的虚线所示，在AA'与BB'平

面之间可以拍照多幅图像，分析这些图像的轮廓并合成这些图像的边缘，就可以得到一幅完整的3D图像。这种3D拍照图像传感器系统具有分辨率高，根据预设拍照的照片个数的多

少而得到更精确的景深照片。与传统的光学变焦镜头相比，这种液体变焦镜头的优势是响应快、变焦快，适合于快速变焦的应用场合。

下图是3DCMOS图像传感器芯片的示意图，图中的像素单元电路具有灵敏度高、暗电

流小、噪声低等优点，行译码电路和列译码电路在时序控制电路的控制下产生像素阵列工作的时序，噪声抑制电路消除信号通路带来的噪声，经过模数转换器将模拟信号转换为数字信号，并输给逻辑产生与数字信号处理电路，逻辑产生与数字信号处理电路产生控制信号控制感光阵列的曝光时间，并集成白平衡处理、彩色差值、焦距判断、轮廓提取等功能。其中模数转换器是多分辨率的模数转换器，在拍照2D图像时输出10bit的数据，当拍照3D图像

时，仅仅输出二值化的图像信息。同时电路可以集成电源管理、锁相环电路模块、I2C控制总线，这正是CMOS图像传感器的优势所在(与CCD图像传感器相比，CCD不能单芯片集

成)。

下图表示3DCMOS图像传感器芯片及系统工作的时序图，其中长曝光时间拍摄的是正常的2D图像，后续短曝光拍摄的是景深图像，从AA'到BB'平面可以连续自动拍照，从而产生合成3D影像的景深图像。当3DCMOS图像传感器芯片工作于2D图像拍照模式时，模数转换器输出10位的数据给数字信号图像处理模块，当3D CMOS图像传感器芯片工作于3D图像拍照模式，模数转换器输出二值化的图像信息，因此3D CMOS图像传感器芯片可以工作于高速拍照的模式，从而获得高速视频信息。

下图是法国Varioptic公司的液体变焦镜头示意图。液体变焦镜头由法国Varioptic发

明，其原理是将两种液体固定在不同的容器中，再它们之间加装一个金属电极，电极中间注入导电液体，当施加在电极上的电压发生改变时，容器中的具有极性的水分子发生漂移，从是两种液体容器中的液体形状发生改变，根据变形的程度来改变焦距。最大特色是其具备几乎是无限宽广的变焦范围，更快反映速度及更出色光学性能，可以应用在可拍照手机、数码相机以及PDA等等设备上。其电压控制信号由3D CMOS图像传感器芯片可编程提供或者自动等间距提供。