3D成像方法匯總介紹：

這里要介紹的是真正的3D成像，得到物體三維的圖形，是立體的圖像。

而不是利用人眼視覺差異的特點(diǎn)，錯誤感知到的假三維信息。

原理上分類：主要常用有：

1、雙目立體視覺法（Stereo Vision）

2、激光三角法（Laser triangulation）

3、結(jié)構(gòu)光3D成像（Structured light 3D imaging）

4、飛行時間法ToF（Time of flight）

5、光場成像法（Light field of imaging）

6、全息投影技術(shù)（Front-projected holographic display）

7、補(bǔ)充：戳穿假全息

上面原理之間可能會有交叉。

而激光雷達(dá)不是3D成像原理上的一個分類，而是一種具體方法。

激光雷達(dá)的3D成像原理有：三角測距法、飛行時間ToF法等。

激光雷達(dá)按照實(shí)現(xiàn)方式分類有：機(jī)械式、混合固態(tài)、基于光學(xué)相控陣固態(tài) 、基于MEMS式混合固態(tài)、基于FLASH式固態(tài)等。

一、雙目立體視覺法：

就和人的兩個眼睛一樣，各種兩個攝像頭的手機(jī)大都會用這種方法來獲得深度信息，從而得到三維圖像。但深度受到兩個攝像頭之間距離的限制。

視差圖：雙目立體視覺融合兩只眼睛獲得的圖像并觀察它們之間的差別，使我們可以獲得明顯的深度感，建立特征間的對應(yīng)關(guān)系，將同一空間物理點(diǎn)在不同圖像中的映像點(diǎn)對應(yīng)起來，這個差別，我們稱作視差（Disparity）圖

像。對于視差的理解可以自己體驗(yàn)一下：將手指頭放在離眼睛不同距離的位置，并輪換睜、閉左右眼，可以發(fā)現(xiàn)手指在不同距離的位置，視覺差也不同，且距離越近，視差越大。

提到視差圖，就有深度圖，深度圖像也叫距離影像，是指將從圖像采集器到場景中各點(diǎn)的距離（深度）值作為像素值的圖像。

深度圖與點(diǎn)云的區(qū)別，點(diǎn)云：當(dāng)一束激光照射到物體表面時，所反射的激光會攜帶方位、距離等信息。若將激光束按照某種軌跡進(jìn)行掃描，便會邊掃描邊記錄到反射的激光點(diǎn)信息，由于掃描極為精細(xì)，則能夠得到大量的激光點(diǎn)，因而就可形成激光點(diǎn)云。深度圖像經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以計(jì)算為點(diǎn)云數(shù)據(jù)；有規(guī)則及必要信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以反算為深度圖像。兩者在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的。

雙目立體視覺由三角法原理進(jìn)行三維信息的獲取，即由兩個攝像機(jī)的圖像平面和被測物體之間構(gòu)成一個三角形。已知兩個攝像機(jī)之間的位置關(guān)系和物體在左右圖像中的坐標(biāo)，便可以獲得兩攝像機(jī)公共視場內(nèi)物體的三維尺寸及空間物體特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。所以，雙目視覺系統(tǒng)一般由兩個攝像機(jī)構(gòu)成。

深度和視差成反比。

二、激光三角法

單點(diǎn)激光測距原理：（同屬于下面結(jié)構(gòu)光原理）

單點(diǎn)激光測距原理圖如下圖。

激光頭Laser與攝像頭在同一水平線（稱為基準(zhǔn)線）上，其距離為s，攝像頭焦距為f，激光頭與基準(zhǔn)線的夾角為β。激光頭Laser與攝像頭在同一水平線（稱為基準(zhǔn)線）上，其距離為s，攝像頭焦距為f，激光頭與基準(zhǔn)線的夾角為

β。假設(shè)目標(biāo)物體Object在點(diǎn)狀激光器的照射下，反射回?cái)z像頭成像平面的位置為點(diǎn)P。假設(shè)目標(biāo)物體Object在點(diǎn)狀激光器的照射下，反射回?cái)z像頭成像平面的位置為點(diǎn)P。

由幾何知識可作相似三角形，激光頭、攝像頭與目標(biāo)物體組成的三角形，相似于攝像頭、成像點(diǎn)P與輔助點(diǎn)P′。P與輔助點(diǎn)P′。

設(shè) PP′=x，q、d如圖所示，則由相似三角形可得：PP′=x，q、d如圖所示，則 由相似三角形可得：f/x=q/s ==》 q=fs/x

X可分為兩部分計(jì)算：X=x1+x2= f/tanβ + pixelSize* position

其中pixelSize是像素單位大小， position是成像的像素坐標(biāo)相對于成像中心的位置。

最后，可求得距離d： d=q/sinβ

線狀激光三角測距原理：（同屬于下面結(jié)構(gòu)光原理）

將激光光條的中心點(diǎn)P1、成像點(diǎn)P1′、攝像頭、激光頭作為基準(zhǔn)面，中心點(diǎn)P1就符合單點(diǎn)結(jié)構(gòu)光測距。對于任一點(diǎn)（該點(diǎn)不在基準(zhǔn)面上），也可由三角測距得出。將激光光條的中心點(diǎn)P1、成像點(diǎn)P1′、攝像頭、激光頭作為基準(zhǔn)面，中心點(diǎn)P1就符合單點(diǎn)結(jié)構(gòu)光測距。對于任一點(diǎn)（該點(diǎn)不在基準(zhǔn)面上），也可由三角測距得出。

如上圖所示，將成像平面鏡像到另一側(cè)。其中P1′，P2′和分別是P1和P2的成像位置，對于點(diǎn)P2、成像點(diǎn)P2′、攝像頭、激光頭所形成的平面，與基準(zhǔn)面存在夾角θ，也符合單點(diǎn)結(jié)構(gòu)光測距。此時的焦距為f′，x的幾何意義同單點(diǎn)激光測距原理。如上圖所示，將成像平面鏡像到另一側(cè)。其中P1′，P2′和分別是P1和P2的成像位置，對于點(diǎn)P2、成像點(diǎn)P2′、攝像頭、激光頭所形成的平面，與基準(zhǔn)面存在夾角θ，也符合單點(diǎn)結(jié)構(gòu)光測距。此時的焦距為f′，x的幾何意義同單點(diǎn)激光測距原理。

d‘/baseline=f’/x

d′是P2與baseline所成平面上P2到底邊的高（類比于單點(diǎn)激光測距原理中的q）。同樣x可分為兩部分計(jì)算d′是P2與baseline所成平面上P2到底邊的高（類比于單點(diǎn)激光測距原理中的q）。同樣x可分為兩部分計(jì)算：

x=f‘/tanβ + pixelSize* position

上述中的平面與基準(zhǔn)面的夾角為θ上述中的平面與基準(zhǔn)面的夾角為θ：

f’/f=cosθ tanθ=（|P2‘.y-P1’.y|）/f

可求得f′：可求得f′：f‘=f/cos（arctan（（P2’.y-P1‘.y）/f））

三、結(jié)構(gòu)光3D成像法

OPPO Find X和IphoneX等手機(jī)的前置攝像頭紛紛搭載。

單從光源本身理解什么是結(jié)構(gòu)光：就是帶有一定結(jié)構(gòu)的，而且我們自己是知道光源的這種結(jié)構(gòu)的。

結(jié)構(gòu)光三維視覺是基于光學(xué)三角測量原理。光學(xué)投射器將一定模式的結(jié)構(gòu)光透射于物體表面，在表面上形成由被測物體表面形狀所調(diào)制的光條三維圖像。該三維圖像由處于另一位置的攝像機(jī)探測，從而獲得光條二維畸變圖像。光條的畸變程度取決于光學(xué)投射器與攝像機(jī)之間的相對位置和物體表面形狀輪廓（高度）。直觀上，沿著光條顯示出的位移（或者偏移）與物體表面高度成比例，扭結(jié)表示了平面的變化，不連續(xù)顯示了表面的物理間隙。當(dāng)光學(xué)投射器與攝像機(jī)之間的相對位置一定時，由畸變的二維光條圖像坐標(biāo)便可重現(xiàn)物體表面三維形狀輪廓。由光學(xué)投射器、攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)即構(gòu)成了結(jié)構(gòu)光三維視覺系統(tǒng)。

根據(jù)光學(xué)投射器所投射的光束模式的不同，結(jié)構(gòu)光模式又可分為點(diǎn)結(jié)構(gòu)光模式、線結(jié)構(gòu)光模式、多線結(jié)構(gòu)光模式、面結(jié)構(gòu)光模式、相位法等。

點(diǎn)結(jié)構(gòu)光模式：（和上面介紹的三角測距一樣）如圖所示，激光器發(fā)出的光束投射到物體上產(chǎn)生一個光點(diǎn)，光點(diǎn)經(jīng)攝像機(jī)的鏡頭成像在攝像機(jī)的像平面上，形成一個二維點(diǎn)。攝像機(jī)的視線和光束在空間中于光點(diǎn)處相交，形成一種簡單的三角幾何關(guān)系。通過一定的標(biāo)定可以得到這種三角幾何約束關(guān)系，并由其可以唯一確定光點(diǎn)在某一已知世界坐標(biāo)系中的空間位置。

線結(jié)構(gòu)光模式：（和上面介紹的三角測距一樣）線結(jié)構(gòu)光模式是向物體投射一條光束，光條由于物體表面深度的變化以及可能的間隙而受到調(diào)制，表現(xiàn)在圖像中則是光條發(fā)生了畸變和不連續(xù)，畸變的程度與深度成正比，不連續(xù)則顯示出了物體表面的物理間隙。任務(wù)就是從畸變的光條圖像信息中獲取物體表面的三維信息；實(shí)際上，線結(jié)構(gòu)光模式也可以說是點(diǎn)結(jié)構(gòu)模式的擴(kuò)展。過相機(jī)光心的視線束在空間中與激光平面相交產(chǎn)生很多交點(diǎn)，在物體表面處的交點(diǎn)則是光條上眾多的光點(diǎn)，因而便形成了點(diǎn)結(jié)構(gòu)光模式中類似的眾多的三角幾何約束。很明顯，與點(diǎn)結(jié)構(gòu)光模式相比較，線結(jié)構(gòu)光模式的測量信息量大大增加，而其實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性并沒有增加，因而得到廣泛應(yīng)用。

多線結(jié)構(gòu)光模式：多線結(jié)構(gòu)光模式是光帶模式的擴(kuò)展。如圖，由光學(xué)投射器向物體表面投射了多條光條，其目的的一方面是為了在一幅圖像中可以處理多條光條，提高圖像的處理效率，另一方面是為了實(shí)現(xiàn)物體表面的多光條覆蓋從而增加測量的信息量，以獲得物體表面更大范圍的深度信息。也就是所謂的“光柵結(jié)構(gòu)模式”，多光條可以采用投影儀投影產(chǎn)生一光柵圖樣，也可以利用激光掃描器來實(shí)現(xiàn)。

面結(jié)構(gòu)光模式：當(dāng)采用面結(jié)構(gòu)光時，將二維的結(jié)構(gòu)光圖案投射到物體表面上，這樣不需要進(jìn)行掃描就可以實(shí)現(xiàn)三維輪廓測量，測量速度很快，光面結(jié)構(gòu)光中最常用的方法是投影光柵條紋到物體表面。當(dāng)投影的結(jié)構(gòu)光圖案比較復(fù)雜時，為了確定物體表面點(diǎn)與其圖像像素點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系，需要對投射的圖案進(jìn)行編碼，因而這類方法又稱為編碼結(jié)構(gòu)光測量法。圖案編碼分為空域編碼和時域編碼?？沼蚓幋a方法只需要一次投射就可獲得物體深度圖，適合于動態(tài)測量，但是目前分辨率和處理速度還無法滿足實(shí)時三維測量要求，而且對譯碼要求很高。時域編碼需要將多個不同的投射編碼圖案組合起來解碼，這樣比較容易實(shí)現(xiàn)解碼。主要的編碼方法有二進(jìn)制編碼、二維網(wǎng)格圖案編碼、隨機(jī)圖案編碼、彩色編碼、灰度編碼、鄰域編碼、相位編碼以及混合編碼。

相位法：近年來基于相位的光柵投影三維輪廓測童技術(shù)有了很大的發(fā)展，將光柵圖案投射到被測物表面，受物體高度的調(diào)制，光柵條紋發(fā)生形變，這種變形條紋可解釋為相位和振幅均被調(diào)制的空間載波信號。采集變形條紋并且對其進(jìn)行解調(diào)可以得到包含高度信息的相位變化，最后根據(jù)三角法原理計(jì)算出高度，這類方法又稱為相位法?；谙辔粶y量的三維輪廓測量技術(shù)的理論依據(jù)也是光學(xué)三角法，但與光學(xué)三角法的輪廓術(shù)有所不同，它不直接去尋找和判斷由于物體高度變動后的像點(diǎn)，而是通過相位測量間接地實(shí)現(xiàn)，由于相位信息的參與，使得這類方法與單純光學(xué)三角法有很大區(qū)別。

四、飛行時間法ToF

飛行時間是從Time of Flight直譯過來的，簡稱TOF。其基本原理是通過連續(xù)發(fā)射光脈沖（一般為不可見光）到被觀測物體上，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過探測光脈沖的飛行（往返）時間來得到目標(biāo)物距離。TOF法根據(jù)調(diào)制方法的不同，一般可以分為兩種：脈沖調(diào)制（Pulsed Modulation）和連續(xù)波調(diào)制（Continuous Wave Modulation）。

脈沖調(diào)制：脈沖調(diào)制方案的原理比較簡單，如下圖所示。它直接根據(jù)脈沖發(fā)射和接收的時間差來測算距離。

連續(xù)波調(diào)制：實(shí)際應(yīng)用中，通常采用的是正弦波調(diào)制。由于接收端和發(fā)射端正弦波的相位偏移和物體距離攝像頭的距離成正比，因此可以利用相位偏移來測量距離。

目前的消費(fèi)級TOF深度相機(jī)主要有：微軟的Kinect 2、MESA的SR4000 、Google Project Tango 中使用的PMD Tech 的TOF深度相機(jī)等。這些產(chǎn)品已經(jīng)在體感識別、手勢識別、環(huán)境建模等方面取得了較多的應(yīng)用，最典型的就是微軟的Kinect 2。

TOF深度相機(jī)對時間測量的精度要求較高，即使采用最高精度的電子元器件，也很難達(dá)到毫米級的精度。因此，在近距離測量領(lǐng)域，尤其是1m范圍內(nèi)，TOF深度相機(jī)的精度與其他深度相機(jī)相比還具有較大的差距，這限制它在近距離高精度領(lǐng)域的應(yīng)用。

但是，TOF深度相機(jī)可以通過調(diào)節(jié)發(fā)射脈沖的頻率改變相機(jī)測量距離；TOF深度相機(jī)與基于特征匹配原理的深度相機(jī)不同，其測量精度不會隨著測量距離的增大而降低，其測量誤差在整個測量范圍內(nèi)基本上是固定的；TOF深度相機(jī)抗干擾能力也較強(qiáng)。因此，在測量距離要求比較遠(yuǎn)的場合（如無人駕駛），TOF深度相機(jī)具有非常明顯的優(yōu)勢。

五、光場成像法（Light field of imaging）

光場就是光輻射在空間各個位置各個方向的傳播。

全光函數(shù)：全光函數(shù)包含7個變量。

空間位置（3D）、特定方向（2D）、特定時刻（1D）、特定波長（1D）

L=p（x， y， z， θ， φ ，t， λ）

如圖所示：

若一條光線通過兩個平面UV和ST所產(chǎn)生的交點(diǎn)坐標(biāo)分別為（u，v）和（s，t），此時就可以通過光場函數(shù)L（u，v，s，t）來表示這條光線的分布。L代表光線的強(qiáng)度，而（u，v）和（s，t）共同確定了光線在空間中分布的位置和方向。在四維（u，v，s，t）空間中：一條光線對應(yīng)光場的一個采樣點(diǎn)。

為什么要用這種雙平面的方式來確定光場的分布呢？這是因?yàn)槌Ｒ?guī)的相機(jī)一般都可以簡化成兩個互相平行的平面——鏡頭的光瞳面和圖像傳感器所在的像平面。對于常規(guī)的相機(jī)來說，每個像素記錄了整個鏡頭所出射光線會聚在一個位置上的強(qiáng)度。

所以，傳統(tǒng)的相機(jī)只能獲取一個像平面的圖像。而如果能夠獲取到整個相機(jī)內(nèi)的光場分布情況，我們就可以將光線重新投影到一個虛擬的像平面上，計(jì)算出這個新的像平面上所產(chǎn)生的圖像。光場相機(jī)的目的就在于對相機(jī)的光場分布進(jìn)行記錄。

光場相機(jī)工作原理：光場相機(jī)由鏡頭、微透鏡陣列和圖像傳感器組成，其中微透鏡陣列是多個微透鏡單元所組成的二維陣列。鏡頭的光瞳面（UV面）和圖像傳感器的光敏面（XY面）關(guān)于微透鏡陣列（ST）成共軛關(guān)系，也就是說，鏡頭經(jīng)過每個微透鏡單元都會投影到圖像傳感器上形成一個小的微透鏡子圖像。每個微透鏡子圖像包含了若干個像素，此時各像素所記錄的光線強(qiáng)度就來自于一個微透鏡和鏡頭的一個子孔徑區(qū)域之間所限制的細(xì)光束，如下圖。

這里的細(xì)光束也就是光場的離散采樣形式，通過微透鏡單元的坐標(biāo)ST和鏡頭子孔徑的坐標(biāo)UV即能夠確定每個細(xì)光束的位置和方向，獲得L（u，v，s，t）的分布。

如下圖：每個宏像素對應(yīng)于光場的一個位置采樣。宏像素內(nèi)的每一點(diǎn)對應(yīng)于光場在該位置的一個方向采樣。光場的位置分辨率由采樣問隔決定。光場的方向分辨率由每個宏像素內(nèi)所包含的像元數(shù)所決定的。

怎么實(shí)現(xiàn)數(shù)字對焦：正如前面所說，獲得相機(jī)內(nèi)的光場分布后，就可以重新選擇一個虛擬的像平面，如上圖。

可以選擇更遠(yuǎn)或更近的像面位置，計(jì)算出所有的光線在這個平面上的交點(diǎn)位置和能量分布，從而就得到了一幅新像面上的圖像。這個過程等價于傳統(tǒng)相機(jī)的調(diào)焦過程，只不過是通過數(shù)字計(jì)算來實(shí)現(xiàn)，因而被稱為數(shù)字調(diào)焦。

利用光場相機(jī)的數(shù)字調(diào)焦能力，只需要一次曝光就可以計(jì)算出不同像平面位置的圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)大光圈條件下的快速對焦。更進(jìn)一步，利用不同深度平面的圖像序列，可以完成全景深圖像合成、三維深度估計(jì)等功能。

六、全息投影技術(shù)

全息投影技術(shù)是利用干涉和衍射原理記錄并再現(xiàn)物體真實(shí)的三維圖像的記錄和再現(xiàn)的技術(shù)。

其第一步是利用干涉原理記錄物體光波信息，此即拍攝過程：被攝物體在激光輻照下形成漫射式的物光束；另一部分激光作為參考光束射到全息底片上，和物光束疊加產(chǎn)生干涉，把物體光波上各點(diǎn)的位相和振幅轉(zhuǎn)換成在空間上變化的強(qiáng)度，從而利用干涉條紋間的反差和間隔將物體光波的全部信息記錄下來。記錄著干涉條紋的底片經(jīng)過顯影、定影等處理程序后，便成為一張諾利德全息圖，或稱全息照片。

其第二步是利用衍射原理再現(xiàn)物體光波信息，這是成象過程：全息圖猶如一個復(fù)雜的光柵，在相干激光照射下，一張線性記錄的正弦型全息圖的衍射光波一般可給出兩個象，即原始象（又稱初始象）和共軛象。再現(xiàn)的圖像立體感強(qiáng)，具有真實(shí)的視覺效應(yīng)。全息圖的每一部分都記錄了物體上各點(diǎn)的光信息，故原則上它的每一部分都能再現(xiàn)原物的整個圖像，通過多次曝光還可以在同一張底片上記錄多個不同的圖像，而且能互不干擾地分別顯示出來。

如下圖。離軸全息和同軸全息。

七、其他補(bǔ)充這里要解釋一下，人們看到的舞臺上的立體的效果，不是真正的全息，一般來說，只是一層介質(zhì)膜，被商家炒概念為全息，只是偽全息。

電影院的3D眼鏡和全息更是半毛錢關(guān)系也沒有，原理是利用了人眼的視差。3D眼鏡有：互補(bǔ)色、偏振光、時分式。

AR、VR技術(shù)和全息關(guān)系也不大。

VR虛擬現(xiàn)實(shí)就不說了，只是前期把各個位置各個角度的內(nèi)容錄制合成，后期通過傳感器探測人的動作來對應(yīng)的切換內(nèi)容。

AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，如下圖分兩步，先獲取周圍世界的三維信息，

AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，如下圖分兩步，先獲取周圍世界的三維信息，再把虛擬的物體添加到上面，獲取三維世界的方法一般是：雙目、TOF、結(jié)構(gòu)光。

各種3D眼鏡也沒有真全息成像技術(shù)。審核編輯：郭婷