ToF、立体视觉和结构光之间有什么区别？

2026年08月10日

摘要

飞行时间（ToF）、立体视觉和结构光主要在测量原理、精度和特定应用的适用性方面有所不同。
ToF特别适用于实时快速3D采集以及移动物体。
当需要精确的点云和灵活的测量范围时，立体视觉非常有用。
结构光提供最高水平的细节，常用于测量和检测。
哪种方法最合适取决于速度、精度、范围和环境光等要求。

在工业图像处理中，二维图像往往是不够的。料箱拣选、机器人技术、质量控制或自主导航等应用需要额外的深度数据，以可靠地确定物体的距离、位置和空间范围。这不仅使机器能够识别场景中有哪些物体或它们具有什么特征，还能捕捉它们的空间位置、距离和体积。这使得例如精确的机器人控制成为可能。

ToF、立体视觉和结构光在深度感知上采用了不同的技术方法。然而，它们有一个共同的结果：它们生成深度图或三维点云，从中可以推导出空间信息。

飞行时间（ToF）相机基于主动距离测量原理工作。相机发射光线，并测量光线（通常来自激光）到达物体并返回传感器所需的时间。此信息可用于计算到物体的距离。

原则上，直接飞行时间测量和间接飞行时间测量是有区别的。在直接飞行时间测量中，确定的是光线往返物体所需的实际时间。然而，工业ToF相机通常基于所谓的间接飞行时间（iToF）技术。在这种方法中，距离是根据发射光信号和接收光信号之间的相位差计算得出的。

ToF系统的一个显著优势是，可以同时捕获每个像素的深度信息。使用iToF，可以实现高图像分辨率和极高的帧率。这使得ToF相机特别适用于快速过程和移动物体。

立体视觉基于人类视觉，使用至少两个从不同角度拍摄同一场景的像头。深度是利用三角测量法根据图像差异计算出来的。物体的距离是根据摄像头位置之间的几何关系确定的。

在被动立体视觉中，深度确定完全基于现有的图像特征。当物体表面具有足够的结构或纹理时，该方法效果特别好。

主动立体视觉系统常用于纹理较少、单色或反光的表面。在此过程中，投影仪将随机或定义的点图案投射到场景上，从而使深度计算即使在困难条件下也能可靠地运行。

因此，主动立体视觉弥合了传统立体视觉与结构光之间的差距。现代工业 3D 相机结合了三角测量和目标纹理投影的优势。

结构光系统将定义的图案投影到物体上。典型的图案包括条纹、线条或网格结构。随后，像机捕捉这些图案在物体表面的变形。

由于已知投影图案的形状和位置，因此可以高精度地计算出物体的几何形状。结构光也基于三角测量法，但额外使用了已知图案的主动投影。

受控投影能够生成高度详细的表面重建。因此，结构光常用于测量和检测任务。

标准	ToF	立体视觉	结构化光线
测量原理	飞行时间或相位偏移	使用多个相机图像进行三角测量	图案投影和三角测量
射程	中到高	弹性	短到中
准确性	中到高	高	非常高
移动物体	非常适合	适合	有限
环境光 / 室外	适合	适合	不太适合
无纹理表面	适合	适合（主动）/ 适用性有限（被动）	非常适合
系统复杂度	低	中	高
相对成本	低	中	中到高

当需要实时快速获取深度且还需要可靠地检测移动物体时，飞行时间法通常是首选。该方法只需一次拍摄即可提供深度数据，实施成本通常相对较低，非常适合机器人、物流和自动化应用。

当需要高分辨率点云和精确的3D数据时，立体视觉通常在精度和灵活性之间提供最佳平衡。主动立体视觉系统还能够可靠地检测表面纹理较低的物体，并已在料箱拣选领域得到广泛应用。

在需要最大测量精度和特别详细的表面重建的情况下，通常使用结构光。该方法特别适用于测量、测试和检测任务。

选择合适的3D方法取决于相应应用的需求。其中的决定性因素包括精度、速度、范围和环境条件。