版本：V1.0

在這份文檔中，我們探討光學(xué)濾光片在3D相機(jī)中的使用。其中包括不同濾光片的光譜曲線，以及對(duì)相機(jī)成像性能的作用。

1、介紹

由于立體深度相機(jī)性能的優(yōu)良與輸入雙目圖像直接相關(guān)，因此在某些特殊場(chǎng)景下，使用額外的光學(xué)器件來提升圖像的效果，以達(dá)到深度圖像性能提升。在本文檔中，主要介紹光學(xué)元件中的濾光片器件。

2、什么是光學(xué)濾光片

光學(xué)濾光片是一種用于選擇性地透過或阻擋特定波長(zhǎng)光線的光學(xué)元件。它們通常由特定材料制成或表面鍍膜實(shí)現(xiàn)，具有特定的光學(xué)性能，用于在光學(xué)系統(tǒng)中控制光的傳播特性。在雙目立體深度相機(jī)中，通過在最外側(cè)，放置特殊波段的濾光片，選擇性的透過或阻擋特定波長(zhǎng)范圍的光線，提升成像性能。

3、濾光片的類型

常見的濾光片類型包括：

3.1 中性密度濾光片，其作用是減少入射光強(qiáng)度。這種濾光作用是非選擇性的，即對(duì)不同波長(zhǎng)光線減少的能力是相同的，從而使透射光的光強(qiáng)降低，對(duì)物體光線的光譜分布不產(chǎn)生任何影響。在攝影領(lǐng)域通常用于防止在高動(dòng)態(tài)范圍圖像的飽和；在激光領(lǐng)域通常用于對(duì)激光功率的控制。

3.2 寬帶濾光片，能對(duì)復(fù)色光分離出某一波段的光而截止規(guī)定波段光的濾光片。其中分為短波通濾光片、寬帶通濾光片及長(zhǎng)波通濾光片，針對(duì)感興趣的波長(zhǎng)范圍，選擇不同帶通的濾光片達(dá)到期望的光譜分布。下圖是不同類型帶通濾光片的光譜分布曲線。

a. 寬帶通濾光片：選定特定波段通過，通帶以外截止，光譜曲線如圖1。

圖1 寬帶通濾光片光譜曲線

b. 短波通型(又叫低波通)：短于選定波長(zhǎng)的光通過，長(zhǎng)于該波長(zhǎng)的光截止。常見的有可見光通濾光片，如圖2所示。

圖2 可見光通濾光片光譜曲線

c. 長(zhǎng)波通型(又叫高波通)：長(zhǎng)于選定波長(zhǎng)的光通過，短于該波長(zhǎng)的光截止。常用的有可見光截止的IR Pass濾光片，如圖3所示。

圖3 IR pass濾光片光譜曲線

3.3 陷波濾光片，僅阻擋某一特定波段的光，本質(zhì)上是帶通濾光片的反面。常用于消除特定波長(zhǎng)的光，在熒光顯微成像等科學(xué)應(yīng)用中起著重要作用。

3.4 偏振濾光片，用于調(diào)節(jié)入射光偏振態(tài)的光學(xué)器件，常見的偏振光有線偏振光、圓偏振光及橢圓偏振光等等，多應(yīng)用于顯示成像等領(lǐng)域。

4、雙目立體深度相機(jī)的挑戰(zhàn)

4.1 對(duì)環(huán)境光敏感。雙目立體視覺是依賴環(huán)境中的自然光采集圖像，而左右相機(jī)在采集圖像時(shí)會(huì)由于光線的進(jìn)光量、入射光角度等差異，導(dǎo)致兩張圖像亮度差異較大，造成算法匹配效果急劇下降。

4.2 單調(diào)缺乏紋理場(chǎng)景效果較差。在雙目立體視覺是根據(jù)視覺特征進(jìn)行圖像匹配，所以對(duì)于缺乏視覺特征的場(chǎng)景，如天空、白墻等會(huì)出現(xiàn)匹配困難，導(dǎo)致匹配誤差較大甚至匹配失敗。通過添加激光散斑投影來提高低紋理場(chǎng)景的特征，但在某些特殊情況下，環(huán)境光會(huì)把激光散斑對(duì)比度降低，甚至淹沒激光散斑的灰度信息。

5、濾光片的使用

5.1 濾除環(huán)境光

絕大部分室內(nèi)場(chǎng)景中的環(huán)境光均為可見光，其光譜集中在400nm-600nm波段。在雙目立體深度成像時(shí)，高亮區(qū)域或高反物體會(huì)由于環(huán)境光亮度過強(qiáng)而計(jì)算出錯(cuò)誤深度，通過添加 IR pass濾光片能有效抑制環(huán)境光造成的過曝區(qū)域，來保證深度計(jì)算數(shù)據(jù)的正確性。圖4和圖5分別是增加IR pass濾光片前后的對(duì)比，通過添加濾光片，黃色標(biāo)識(shí)位置處由錯(cuò)誤深度數(shù)據(jù)變?yōu)檎_值。

圖4  無IR pass濾光片紅外及深度圖

圖5  帶IR pass濾光片紅外及深度圖

5.2 提升散斑信噪比

雙目立體深度相機(jī)中激光散斑的信噪比直接影響成像質(zhì)量，而環(huán)境光會(huì)給激光散斑帶來底噪，造成散斑信噪比差甚至亮度被淹沒的問題。通過添加IR pass濾除可見光，可以有效提升散斑信噪比，尤其是針對(duì)低紋理場(chǎng)景，能夠有效提高圖像質(zhì)量。圖6和圖7分別是增加IR pass濾光片前后的對(duì)比，通過添加濾光片，黃色標(biāo)識(shí)位置處的地面深度數(shù)據(jù)提升明顯。

圖6  無IR pass濾光片紅外及深度圖

圖7  帶IR pass濾光片紅外及深度圖