【iOS】iPhone摄影中的深度捕捉(WWDC2017-Session 507)

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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。
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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：

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@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

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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。

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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：

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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。

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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。

Capturing Photos with Depth

AVCam是显示如何使用 AVFoundation 拍摄照片和电影的示范代码。

注意，虽然已经添加了深入支持，但是你看不到任何depth相关的东西。因为当能够拍摄这些铅笔时，实际上并没有看到深度的表现，而是存储在照片中。

照相结束后，打开相册后编辑，上面有了景深的按钮，可以对景深做效果处理。在iOS 11中，以人像模式拍摄的所有照片现在都会在照片中存储深度信息，因此它们会为您的新创意应用程序添加素材。

Photos with Depth

当拍摄深度照片时，支持很多的捕获选项。

可以使用深度进行闪光拍摄，可以静态图像稳定带深度信息。 甚至可以自动曝光括号，例如加2，减2 EV。 可以使Live Photos带有深度信息。

Capturing Photos with Depth

AVCapturePhotoOutput，这是去年推出的一个类，它是 AVCaptureStillImageOutput 的继承者。它处理复杂的照片请求非常出色。

编程模型是填写一个称为 AVCapturePhotoSettings 的请求，通过传递请求和稍后再调用的代理来启动照片捕获。而且photoOutput是捕获实时照片，裸RAW图像和Apple P3宽色图像的唯一界面。此外，在iOS 11中，它是捕获HEIF文件格式的唯一方法。AVCapturePhotoOutput 需要进行许多更改以支持HEIF，因此在iOS 11中，为了适应这些许多变化，添加了新的委托回调。

一个简单示例：

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func photoOutput(_ output: AVCapturePhotoOutput, didFinishProcessingPhoto photo: AVCapturePhoto
, error: Error?)

这是替代将获得示例缓冲区的回调。现在得到一个名为 AVCapturePhoto 的新对象。AVCapturePhoto 是深度唯一的传递媒介，所以如果想要深度，需要通过实现这个新的代理回调来操作。

Requesting Depth with Photos

此外，在开始会话之前需要明确地选择 DepthDataDelivery。它需要放大到2倍，使焦距匹配，并且需要锁定自己，禁止缩放。

开始运行会话之前，告诉photoOutput我想要 DepthDataDeliveryEnabled(photoOutput.isDepthDataDeliveryEnabled)，然后在每个照片请求的基础上，这里是当你实际拍摄照片，你会填写一个设置对象，并且再一次我想在这张照片中深度(photoSettings.isDepthDataDeliveryEnabled)。

然后，可以使用产生的AVCapturePhoto，它具有一个名为 AVDepthData 的访问器。

High Res Photo Depth Maps

在iOS上，大多数AVCaptureDevice格式都具有比流式分辨率更高的静态图像分辨率。depth也是同理。

如果是流式深度，用实时的方式来满足24 fps，有很多工作需要做，但是如果是照片，有一点额外的时间，因为它不需要实时发送，所以可以达到非常高品质的map，超过流分辨率的两倍。

长宽比与视频的长宽比一致。

Rectilinear vs. Lens Distorted Images

捕获和嵌入照片的深度图都是畸变的。

之前展示的所有相机图是针孔相机。 针孔相机没有镜头，因此图像是直线的; 也就是说，光以直线穿过小孔，并在图像平面上呈现几何完美的复制倒置物体。

如果有一个这样的完美的正方形网格，并用针孔相机拍摄它，它将在图像平面上看起来像这样，但是颠倒的。直线会保持直线。

但是在现实世界中，需要让更多的光线进入，所以需要镜头，镜头有径向变形。这些失真也存在于捕获的图像中，因为它们以稍微奇怪的方式弯曲成图像传感器。

在极端情况下，通过不良镜头捕获的直线可能看起来像这样：

在比较广角和长焦图像之前，必须做一个额外的步骤：

必须使那些扭曲的图像直线化; 也就是说，使用校准的系数集合来解决它们，并且这些系数表征了镜头的失真。

Depth Map Distortions

现在可以确定地比较两个图像中的点，并找到一个完美的，真实的，直线的视差图，看起来像这样：

差距图匹配物理世界，但它与刚刚拍摄的图像不符，因为镜头有扭曲，所以现在必须做另一个步骤，就是将视差图重新映射回图像，使用一组逆透镜系数来做到这一点，最后的视差图具有与其伴随图像相同的几何失真。

这意味着开箱即用的depthDataMaps附带的照片适用于过滤器，适用于效果。不完美的是重建3D场景。 如果想这样做，应该使它们是直线的：

Depth in Image Files

简单地介绍图像文件中的深度数据的物理结构。

iOS 11苹果有两种图像支持深度。第一个是HEIF HEVC，新格式，也称为HEIC文件，对深度的支持是最好的。文件内有一个称为辅助图像的区域，可以存储视差或深度或透明度map，这就是存储的地方。

我们将其编码为单色HEVC，还存储对于深度工作非常重要的元数据，例如有关滤光器的信息，精度，相机校准信息（如镜头失真）以及一些渲染指令。所有这些都与辅助图像一起编码为XMP。

第二个就是JPEG，虽然这并不是很好的方法，但还是支持了。map是8位有损JPEG，如果它被过滤，或者如果它没有一个数字，使用16位无损JPEG编码来保存所有非数字，苹果将它作为第二个图像存储在JPEG的底部，如果你熟悉的话，它就像一个多画面对象。同样编码是XMP。

Dual Photo Capture

对于双摄像机最需要的开发者功能，双重照片捕获。

到目前为止，当使用双相机拍照时，仍然只能获得一张图像。 它是来自广角还是来自长焦，取决于缩放的位置，或者如果在1和2X之间的区域，可能会获得两者的一部分，因为苹果进行了一些混合，使得到更好的图片，但仍然只有一个。

现在，苹果两张图片都给了：通过单一请求，可以获得广角和长焦的全部1200万像素的照片。

Requesting Dual Photo Delivery

与上述的深度操作非常相似。设置两个属性 photoOutput.isDualCameraDualPhotoDeliveryEnabled , photoSettings.isDualCameraDualPhotoDeliveryEnabled 为ture。照片的回调就会给两份。

假设你要求RAW 和 HEIF双照。 那么会得到4份，因为将得到两个广角和两个长焦的RAW和HEIF。

Dual Photo Capture

现在，我们支持与深度相关的所有功能，可以使用双摄照片，自动SIS，曝光等级，可以根据需要选择深度。

Dual Photo Capture + Zoom

假设你的应用程序只显示长焦的视野。 那么广角摄像机有更多的信息，所以如果你拍照，实际上给人的可见区域以外的东西，这可能是一个隐私的关注。所以如果是缩放，苹果提供双重照片，但外部变黑，使它们与预览中看到的视野相匹配。

如果您想要完整的图像，可以不要设置缩放。

怎么知道外面是否有黑色区域？在图像内部，存储一个纯净的孔径矩形，它定义了有效像素的区域。

也可以使用相机校准数据传送双重照片。相机校准数据是进行增强现实，虚拟现实，镜头失真校正等需要的数据。 因此，无论是广角的还是长焦和相机校准数据，都可以制作自己的深度图。

Introducing AVCameraCalibrationData

相机校准的属性。AVCameraCalibrationData 是相机校准的model类。如果要求深度，可以得到一个 AVDepthData。 这就是 AVDepthData 的属性。 如果从AVCapturePhoto中选择了此功能，也可以获得该功能。 所以选择加入这个照片来说，我想用相机进行相机校准，这个照片效果很好。

如果正在进行双重照片拍摄，需要双面照片，并要求相机校准，将获得两张照片回调，并且可以获得具有广角效果的广角校准，和具有长焦效果的长焦校准。

intrinsicMatrix

和之前的streaming VideoDataOutput情况很相似。但是仅仅是这样深度数据的分辨率可能非常低，所以苹果又提供了一套单独的维度。通常，它们是传感器的完整尺寸，因此，您以获得很多精度，在 intrinsicMatrix 中有很高的分辨率。

extrinsicMatrix

extrinsicMatrix：这是描述相机在真实世界中姿势的属性。当使用从立体矫正摄像机得到的图像进行三角测量时，需要将其与另一个相比较。而外在特征被表现为一个单一的矩阵，但是两种矩阵被挤压在一起。

左边是旋转矩阵。这是一个3x3，它描述了相机相对于真实世界如何旋转。

还有一个1x3矩阵，描述了相机的翻转，或与世界边缘的距离。注意，当使用双摄像头时，长焦摄像机是世界的边缘，这使得它非常容易。

如果只是得到一个长焦图像，你得到的矩阵将是一个单位矩阵。 如果正在使用广角和长焦，广角将不是单位矩阵，因为它描述了与长焦镜头的姿态和距离。 但是，使用extrinsics，可以计算广角与长焦之间的基线。

这里有两个属性需要注意。一个是 lensDistortionCenter。这描述了传感器上与镜头失真中心重合的点。这通常与镜头的光学中心不同。

就像上图的扭曲，透镜上的径向扭曲像树环一样，这将是树环的中心。

同时还有一个属性是lensDistortionLookupTable，可以将其视为将 lensDistortionCenter 连接到最长半径的多个浮点数。lensDistortionLookupTable 是包含在数据中的C浮点数组。如果沿着这些虚线的每个点都是0，那么就拥有了世界上唯一一个完美的镜头，因为这就根本没有径向畸变了。

如果是正值，则表示半径有延长。如果是负值，则表示有压缩。

将整个表格整合在一起，就可以了解镜头的颠簸情况。

要对图像应用失真校正，需要以一个空目标缓冲区开始，然后逐行迭代，并且对于每个点，都使用 lensDistortionLookupTable 在失真的图像中找到相应的值，然后将该值写入到输出缓冲区中的正确位置。

这个是比较难实现的代码，苹果在 AVCameraCalibrationData.h 中提供了一个参考实现。实际是把代码放到了头文件里面。全都有注释。是个很大的objective C函数。它描述了如何纠正图像或如何反扭曲图像，具体取决于传给它的表格。还有一个表格的逆，它描述了如何从扭曲回到非扭曲。

Summary

  • iPhone 7 Plus双摄像头不是飞行时间相机系统，是Disparity系统。
  • 此外，苹果平台上对深度的规范表示是 AVDepthData。
  • 了解了intrinsics、extrinsics、lens distortion的信息。都是 AVCameraCalibrationData 的属性。
  • 了解了AVCaptureDepthDataOutput，它提供了可以过滤的流式深度。
  • 可以使用 AVCapturePhotoOutput 捕获带有深度信息的照片。
  • 最后讲到了双摄像头，双照片，对于某些计算机视觉可以单独用到广角和长焦的照片。