iPhone 摄影中的深度捕捉 ( WWDC2017-Session 507 ) 上篇

导语

iPhone 7 Plus上的人像模式展现了摄影深度的强大功能。 在iOS 11中，驱动此功能的深度数据现在开放使用。 了解如何利用深度信息为创意成像开辟新的可能性。 获得对高层次深度概念的更广泛的了解，并学习如何从相机中捕获流式传输和静态图像深度数据。

视频地址,只能用safari观看

前言

507是深度媒体相关的概念层面的内容。主要为下面4个部分：

• Depth and disparity on iPhone 7 Plus
• Streaming depth data from the camera
• Capturing photos with depth data
• Dual photo capture

Depth and disparity on iPhone 7 Plus

7 Plus 有两个摄像头，28毫米的广角摄像头，56毫米的长焦镜头。它们都是1200万像素，分享同样的配置项、格式。可以单独使用它们，也可以用一个虚拟的第三方摄像头来共同使用它们，使它们配合。它以同步的方式运行，相同的帧速率，并且一起运行它们可以实现两个选框功能。

Dual Camera Zoom 双摄变焦

• Switches between wide and tele automatically
• Matches exposure, focus, and frame rate
• Compensates for parallax shift to smooth the transition
• 在缩放时，会自动切换广角与长焦；
• 适配曝光、对焦和帧速率；
• 对视差偏移进行补偿，使其在广角和长焦之间来回切换时平滑过渡。

Portrait Mode

人像模式锁定在长焦摄像头，但是会同时使用广角和长焦来生成一副浅景深效果的图像。聚焦的前景清晰，背景则会逐渐模糊。

iOS11 上改进了对焦区域的渲染。更准确的展现了一个自由度高的快速镜头，例如上图中清晰明亮的花束圈。还改进了前景和背景边缘的渲染。

为了生成这样效果的图片，就要有能力区分前景和背景，也就是需要depth。在iOS10，depth信息还只是包含在苹果自己相机的人像模式中。iOS11，苹果正在向第三方应用开放depth map。

上面这幅图中内嵌了下面这样一个灰度可视化的深度图：

深度信息有了对图像编辑更多的可能性，例如上图对前景和背景应用不同的滤光器；将黑白滤光器应用到背景，Fade Filter应用到前景。

也可以像上图，将前景的范围缩小到手和花。

还可以对前景和背景应用不同的曝光

Deep Learning

Depth Map

首先定义depth map。真实世界中depth 意思是你和观察物体之间的距离。深度图是将三维场景转化为二维表示，并将深度设置为恒定距离。

下面对针孔相机做一点研究：

针孔相机是一个没有镜头的简单的防光盒，观察物体通过一个孔映射到传感器上。

光线通过的孔被称为焦点，聚焦到成像平面的距离就是焦距，物体在成像平面上的缩放程度就取决于焦距。较短的焦距意味着更宽的视野；而更长的焦距，较长的盒子意味着较窄的视野。

简单来说，深度图是将3D深度转换为2D，单通道图像，其中每个像素值是不同的深度，如五米，四米，三米。

为了真正测量深度，需要一个专用的摄像头，比如飞行时间相机。例如，一个系统，它从物体反射光信号，然后测量返回到传感器所需的时间。

iPhone 7双摄像头不是飞行时间相机。相反，它是一个基于Disparity的系统。

Disparity

Disparity 是从两个不同的摄像机（如眼球）观测到的物体的偏移量的量度。Disparity 是视差的另一个名称。

你可以通过稳定头部并将目光固定在靠近的位置上观察此效果，然后不移动您的头部，闭上一只眼睛，然后闭上另一只眼睛。而且你可以看到彩色的铅笔看起来比后面的标记更多，因为它们更接近。这就是 Disparity效果，或者说视差效果。

现在我已经拍摄了两台被认为是立体纠正相机的鸟瞰图。意思是说，它们彼此平行，它们指向同一个方向，而且焦距是相同的，这个很重要。

每个相机将具有测量的光学中心或主要点，并且如果从针孔到图像平面绘制垂直线，则光学中心是其与图像平面相交的点。

baseline基线

基线是指立体纠正系统中透镜的两个光学中心之间的距离。 下面是它的工作原理：

来自被观察物体的光穿过光学中心，或者说穿过两个照相机的图像平面上的不同点的孔径和平台。

Z

Z是深度或者真实世界深度的规范术语

现在看看当观察点越远，图像平面上的点更加接近，同理观察点越近，图像平面上的点间隔越远。

所以当相机是立体纠正时，这些偏移只能在一个方向上移动。他们要么靠近要么远离彼此，要么在同一条线上，要么是对极线。

有了基线，可以沿着它们的光学中心排列相机，并减去图像平面上的观察点之间的距离来获得视差。一般用像素单位来表示。

但是现在对于编辑并不是很方便，如果将图像缩小，实际是改变了像素大小，然后必须在深度图中缩放每个值。

Removing Despair from Disparity

苹果选择使用对缩放操作有弹性的归一化值来表示Disparity。

这里有两个相似三角形，高亮：

现实世界的三角形边是Z，单位是米，而基线是两个光学中心之间的距离。在防光盒内，同一个三角形表示为像素中的焦距和以像素为单位的Disparity。

数学表示，并化简得到1 / z。当物体移动得更远时，视差会缩小。基线现在绑定在Disparity中了，当处理深度图时，不需要单独携带该信息。

Disparity单位1/米，它可以承受缩放操作，并且从深度到Disparity的转换很简单，只需要 1除以 这样一个操作。

Disparity vs. Depth

• iPhone 7 Plus双摄像头系统是基于Disparity的
• Disparity是深度的代理
• 归一化Disparity是深度的倒数

New Term: Depth Data

Depth Data是通用术语，对于任何depthy，都可以叫depth data。可以指深度图或者视差图，因为都是深度相关的。

Introducing AVDepthData

• 苹果的平台( iOS, macOS, and tvOS)对于深度的规范表示叫做AVDepthData。
• 它是AVFoundation框架中的一个类。
• 它代表深度或差异图。
• 它还提供了一些方法，可以在深度和差异之间进行转换。

public var kCVPixelFormatType_DisparityFloat16: OSType { get } /* 'hdis' */
public var kCVPixelFormatType_DisparityFloat32: OSType { get } /* 'hdis' */
public var kCVPixelFormatType_DepthFloat16: OSType { get } /* 'hdep' */
public var kCVPixelFormatType_DepthFloat32: OSType { get } /* 'fdep' */

像RGB图像一样，除了是单通道，但它们仍然可以表示为CV像素缓冲区，现在 CoreVideo 定义了在上一张幻灯片中看到类型的四个新像素格式。因为如果是在GPU上，会要求16位的值，而在CPU上，就都是32位的值。

AVDepthData的核心属性：

@available(iOS 11.0, *)
open class AVDepthData: NSObject {
    open var depthDataType: OSType { get }
    open var depthDataMap: CVPixelBuffer { get }
    open var isDepthDataFiltered: Bool { get }
    open var depthDataAccuracy: AVDepthDataAccuracy { get }
}

Holes

由于光线，或者边缘难以分清等因素，可能会出现无法得到Disparity的点，这种点叫做holes。深度图也可能被处理来填补这些点。 可以通过基于周围深度数据进行内插，或者通过使用RGB图像中存在的元数据来实现。 AVDepthData 的 isDepthDataFiltered 属性告诉是否以这种方式处理了map。

Calibration Errors 校准错误

比如基线计算错误。

iPhone相机不是针孔，iPhone有透镜，并且它的透镜都不是固定的。

• Optical Image Stabilization
• Gravity
• Focus Coil

如果使用OIS，则透镜可以横向移动来抵消手抖动。重力可以发挥作用，因为它会导致镜头下垂。聚焦致动器实际上是施加电流的弹簧。所以这些原因可能会导致它横向移动一点，而光学中心位置的这些非常小的误差可能导致Disparity的巨大误差。当发生这种情况时，结果是map中每个像素的误差是一个恒定的。 Disparity 值相对于彼此仍然可用，但它们不再反映真实世界的距离。

Depth Data Accuracy

extension AVDepthData {
    public enum Accuracy: Int {
        case relative
        case absolute 
    }
}

因此 AVDepthData 有一个精度的概念。绝对值的精度值意味着单位确实反映了现实世界的距离，没有校准问题。相对精度意味着Z排序仍然保留，但是现实世界的尺度已经丢失。从第三方摄像机获取的深度数据可以报告为绝对或相对，但由于刚刚提到的校准错误，iPhone 7 Plus总是报告相对精度。

相对精度并不是坏的精度。双摄像头的depth完全可以使用。

Streaming Depth Data

AVCamPhotoFilter

Introducing AVCaptureDepthDataOutput

AVFoundation 框架相机捕获类分为三大部分。第一个是 AVCaptureSession，仅仅是个控制对象。你可以告诉它开始或者停止运行，它不做任何事情，除非给它一个输入，比如 AVCaptureDeviceInput ，这里与双摄像头的设备关联，并且给session提供输入。然后需要一个输出，这里是一个新的输出类型 AVCaptureDepthDataOutput，它的功能类似于 VideoDataOutput，除了提供 CoreMedia 示例缓冲区之外，它提供了 AVDepthData 对象。

• 只有双摄像头才能支持 AVCaptureDepthDataOutput。
• 将 DepthDataOutput 附加到会话中时，双摄像机自动缩放到2倍，即长焦的全部视野，这是因为为了计算视差，焦距必须相同，而在2倍变焦下，广角摄像机的焦距与长焦相匹配。在计算深度时缩放是被禁用的。
• 苹果已经向 AVCaptureDevice 添加了一些新的访问器。在双摄像头上，您可以通过查询 supportedDepthDataFormats 属性来发现哪些视频格式支持深度。
• 还有一个新的 activeDepthDataFormat 属性，可以让您看到 activeDepthDataFormat 是什么或选择一个新的 DepthDataFormat。

Supported Depth Resolutions for Streaming

第一个是受欢迎的照片预设。 在照片预设中，可以从 VideoDataOutput 中获得屏幕尺寸的预览，还可以从photoOutput中获得1200万像素的完整图像。所以在这里 VideoDataOutput提供了1440x1080，这是屏幕尺寸。如果使用DepthDataOutput，可以获得24 fps，最大320x240的depthData。这么小的原因是每秒处理24次视差图已经消耗很多性能了。也可以以较低的分辨率得到它，160x120。

第二个是16x9的格式，这是今年的新格式。去年有一个720p 16x9的格式，帧率高达60 fps。今年这个新格式只有30 fps，但是支持depth。同样支持两种分辨率。

最后，有一个非常小的VGA大小的预设或活动格式，如果只是想要非常小非常快，可以使用它。

Depth Frame Rate Examples

AVCaptureDevice允许设置最小和最大视频帧速率，但不允许独立于视频帧速率设置深度帧速率。因为深度需要和视频帧率一致，或者小于视频帧率。例如，如果选择最大视频帧率为24，深度可以跟上这一点，所以得到24 fps的深度。但是，如果选择30 fps视频，则深度跟不上，不过不会选择24，而是15，倍数是比较好的选择。

DepthDataOutput支持过滤深度数据。这样就可以填满空洞，并且随着你的移动也可以比较平滑，这样就不会看到从帧到帧的时间跳跃。

open var isFilteringEnabled: Bool

非同步数据输出

现在有四种数据输出：

第一个是 VideoDataOutput ，从iOS 4开始，它是以30 fps或60 fps的流媒体方式一次给出视频帧。 还有一个 AudioDataOutput，通常会以44.1的速度一次推送1024个PCM帧。 还有一个 MetadataOutput 可以提供面部，检测到的面孔或条形码，并且这些都偶尔出现。 他们可能会有一些延迟，寻找面孔多达四帧延迟。

第四个就是 DepthDataOutput ，是以视频的帧速率或以视频均匀分割的速率传送。

如果关心同时处理所有这些数据，或者处理一定的演示时间。为了处理所有这些数据输出，您必须拥有一个非常复杂的缓冲机制，以便跟踪所有进入的时间，

Synchronized Data Output

在iOS 11中，苹果添加了一个名为 AVCaptureDataOutputSynchronizer 的新同步对象。它可以在单个统一回调中为给定呈现时间，提供所有可用数据，并传递一个称为AVCaptureSynchronizedDataCollection 的集合对象。

所以这样就可以指定一个主输出，一个最重要的输出，一个希望所有其他东西要同步的输出，然后只要它需要，就可以做这个工作， 以确保给定演示时间的所有数据在可用之前提供给单独的统一回调。它将为你提供输出的所有数据，或者如果确保没有特定输出的数据，它将继续提供与它有关的集合。

下面一个代码示例：

func dataOutputSynchronizer(_ synchronizer: AVCaptureDataOutputSynchronizer, didOutput synchronizedDataCollection: AVCaptureSynchronizedDataCollection) {
    // Iterate through an AVCaptureSynchronizedDataCollection using fast enumeration
    for syncedData in synchronizedDataCollection {
        if let syncedDepthData = syncedData as? AVCaptureSynchronizedDepthData {
            // ...
        }
    }
}

可以像数组一样使用它，也可以像字典那样使用它，具体取决于要做什么。

func dataOutputSynchronizer(_ synchronizer: AVCaptureDataOutputSynchronizer, didOutput synchronizedDataCollection: AVCaptureSynchronizedDataCollection) {
    // Use dictionary-esque subscripting to find a particular data
    if let synDepth = synchronizedDataCollection[self.ddo] as? AVCaptureSynchronizedDepthData {
        // ...
    }
}

Streaming Camera Intrinsics

iOS 11中还有一个新的流式传输功能，当使用 VideoDataOutput 时，支持每个视频帧的相机内在功能。

上面讲到针孔相机，为了将3D空间中的点转换为2D空间，需要两个信息，光学中心和焦距。在计算机视觉中，可以使用这些属性通过使用逆变换将2D图像重新投影回3D空间，这在新的AR kit中是重点。

iOS 11中的新功能，可以选择在每个视频帧中收到这样一组内在函数，通过调用 AVCaptureConnection 的 isCameraIntrinsicMatrixDeliveryEnabled 来选择。

相机内在函数是描述相机几何属性的3x3矩阵。fx和fy是像素焦距。它们是分开的x值和y值，因为有时相机具有变形镜头或变形像素。

在iOS设备上，我们的相机总是具有一致的像素，所以fx和fy总是相同的值。

x0和y0是透镜光学中心的像素坐标。

这些都是像素值，它们是以提供它们的视频缓冲区的分辨率给出的。

所以，一旦你选择了，可以期望以流式方式获取样本缓冲区，可以获得这个附件，有效载荷是一个C/F数据，它包装一个矩阵3x3浮点数，这是一个SIMD数据类型。

接《 iPhone 摄影中的深度捕捉 ( WWDC2017-Session 507 ) 下篇》