隨著數(shù)字成像技術(shù)的發(fā)展，相機(jī)作為一種傳感器被廣泛研究。在過去一年多的時間中，ToF技術(shù)作為拍照的亮點(diǎn)頻頻出現(xiàn)在各家的手機(jī)產(chǎn)品上。從vivo NEX到榮耀V20，從景深測量到動作捕捉，有了ToF技術(shù)加持，智能手機(jī)能夠拍出更好的虛化照片，能夠化身為體感游戲機(jī)……據(jù)麥姆斯咨詢介紹，作為3D深度視覺領(lǐng)域三大主流方案之一，ToF技術(shù)除了應(yīng)用在手機(jī)上之外，也在VR/AR手勢交互、汽車電子ADAS、安防監(jiān)控以及新零售等多個領(lǐng)域都開始大顯身手，應(yīng)用前景十分廣闊。

“這種技術(shù)跟3D激光傳感器原理基本類似，只不過3D激光傳感器是逐點(diǎn)掃描，而ToF相機(jī)則是同時得到整幅圖像的深度信息。”ADI系統(tǒng)應(yīng)用工程經(jīng)理李佳在分享ADI 3D深度檢測技術(shù)時指出，“簡單來說，通俗點(diǎn)解釋就是ToF發(fā)射器發(fā)射出了一整面平整的‘光墻’，這面光墻打到被測物體表面反射回來，并帶回來了深度信息。”ToF發(fā)射器向物體發(fā)射激光，再由一個接收器接收反射回來的激光，根據(jù)激光往返的時間長短和其固定的飛行速度，計算出物體表面上的這個點(diǎn)與ToF相機(jī)之間距離。

圖1 使用ToF技術(shù)可以得到物體的距離

需求端爆發(fā)抬高ToF市場熱度

隨著體感交互與控制、3D物體識別與感知、智能環(huán)境感知以及動態(tài)地圖構(gòu)建等技術(shù)與市場的發(fā)展，各大應(yīng)用場景都開始對3D視覺與識別技術(shù)產(chǎn)生日益濃厚的興趣和日益旺盛的需求。以現(xiàn)階段體量最大的兩個應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槔阂环矫妫S著智能手機(jī)進(jìn)入存量時代，微創(chuàng)新對深度攝像技術(shù)的強(qiáng)烈需求，加之智能手機(jī)交互方式的不斷變化正促進(jìn)全球ToF市場快速擴(kuò)張；另一方面，在汽車電子領(lǐng)域，以ADAS滲透率不斷提高為代表的汽車智能化趨勢也正加速演進(jìn)，而作為激光雷達(dá)、智能攝像頭等深度測距傳感器領(lǐng)域最主流的方案，ToF市場也正持續(xù)受益。

技術(shù)方面，相比3D深度視覺其它兩種方案而言，ADI ToF方案在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢不言而喻。舉例來講，在畫面拍攝后計算景深時不需要進(jìn)行后處理，既可避免延遲又可節(jié)省采用強(qiáng)大后處理系統(tǒng)帶來的相關(guān)成本。而且ToF測距規(guī)模彈性大，大多數(shù)情況下只需改變光源強(qiáng)度、光學(xué)視野以及發(fā)射器脈沖頻率即可完成。由于具有不易受外界光干擾、體積小巧、響應(yīng)速度快以及識別精度高等多重優(yōu)勢，使得ToF無論是在移動端還是車載等應(yīng)用領(lǐng)域日漸成為3D視覺的首選技術(shù)方案。

圖2 3D視覺主流方案對比

李佳還全面分享了ADI所研發(fā)的突破性ToF技術(shù)方案，從工業(yè)自動化、智能建筑到汽車應(yīng)用等，全面推進(jìn)智慧物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新的應(yīng)用開發(fā)。“ADI公司的ToF技術(shù)之所以受到矚目，是因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)能達(dá)到VGA影像分辨率與精準(zhǔn)度，同時又具備更低的功耗與占位空間，深度數(shù)據(jù)能有效增加影像識別度，達(dá)到對象判斷的精準(zhǔn)度。”李佳一語道破關(guān)鍵。

專業(yè)與消費(fèi)市場相結(jié)合，助推ToF技術(shù)持續(xù)受益

從消費(fèi)級應(yīng)用場景來看，隨著越來越多智能手機(jī)后置深度攝像功能的出現(xiàn)，加之手勢交互和環(huán)境定位感知漸成VR/AR等新型智能硬件的標(biāo)配，未來幾年消費(fèi)級領(lǐng)域的ToF應(yīng)用及市場無疑將呈現(xiàn)出井噴態(tài)勢。

相比一些專業(yè)領(lǐng)域而言，手機(jī)后置攝像頭以及VR/AR手勢交互、環(huán)境測量等應(yīng)用，在技術(shù)層面上面臨的性能挑戰(zhàn)難度通常要更小一些，而關(guān)注重點(diǎn)也主要是在低成本、規(guī)格大小以及功耗等方面，對于測量速度、壽命和分辨率等方面的要求并不強(qiáng)烈。但對于汽車、工業(yè)等這一類的專業(yè)級場景來講，ToF傳感系統(tǒng)的設(shè)計不僅需要在精度、范圍、響應(yīng)時間、分辨率、成本、功耗以及可用封裝要求之間取得平衡。而且針對不同的實(shí)際情況中出現(xiàn)的各種不可控的因素，還需要對傳感系統(tǒng)的靈活性及抗干擾性等方面進(jìn)行一些定制化的冗余設(shè)計，比如添加一些高可靠性的濾波及抗干擾器件和模塊，并加載相關(guān)的軟件算法，從而保證系統(tǒng)有足夠的能力去應(yīng)對不同類型的突發(fā)狀況。

以汽車應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槔壳笆袌錾系牡管嚴(yán)走_(dá)只能感應(yīng)是否有障礙物，甚至一些“身材”矮小的障礙物達(dá)不到感應(yīng)范圍的要求。采用了ToF技術(shù)的倒車系統(tǒng)可同時偵測多個不同距離的行人或障礙物，當(dāng)檢測到有行人或者障礙物靠近，就算是視線死角車頂?shù)臉渲Γㄟ^軟件處理后，能以影像顯影或聲音警示距離，進(jìn)一步輔助駕駛得知車后相關(guān)路況。

ADI公司所開發(fā)的ToF模塊結(jié)合圖像傳感器和VGA ToF傳感器模塊與內(nèi)建圖像處理器方案，比傳統(tǒng)音波檢測具備更佳的檢測角度，也更能準(zhǔn)確測量物體跟汽車的距離。因此可為汽車倒車系統(tǒng)、開門防護(hù)系統(tǒng)、停車輔助系統(tǒng)及盲點(diǎn)偵測等應(yīng)用提供更大范圍的碰撞偵測預(yù)防。

圖3 當(dāng)檢測到有行人或者障礙物靠近，ADI公司的ToF模塊能夠以影像顯示障礙物的大小和相對距離以及聲音示警

同時在智能座艙領(lǐng)域，ADI還提供一系列先進(jìn)的人機(jī)交互（HMI）和駕駛員狀態(tài)檢測先進(jìn)技術(shù)方案，其中采用了業(yè)界領(lǐng)先的車規(guī)級VGA分辨率ToF技術(shù)的3D人臉識別具有抗強(qiáng)光、高分辨率的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)人臉識別和復(fù)雜的手勢識別。

實(shí)際上，ToF技術(shù)在完成物體的3D深度拍照外，同時也能為機(jī)器人帶來視覺效應(yīng)，使之能像人類一樣具有方向感。在人類與機(jī)器人的合作問題上，安全性永遠(yuǎn)是要考慮的首要問題，尤其是當(dāng)機(jī)器人身處較為擁擠的工作環(huán)境中，它們必須能辨認(rèn)人與機(jī)械以及機(jī)械的動作，并作出迅速的反應(yīng)以避免受傷。“自動化工廠中的各類機(jī)器人都需要自主避障，如果以激光雷達(dá)來解決，成本則需要增加數(shù)萬元，用雙攝像頭方案又需要大量的運(yùn)算和雙攝像頭精準(zhǔn)位置的調(diào)教，而ToF相機(jī)則成為解決上述難題的極具性價比的最佳選擇。”李佳表示。

ADI對于ToF技術(shù)則提供了從硬件芯片到依附于硬件芯片上的算法等多種靈活的方案，其ToF電子圍欄方案能設(shè)立虛擬安全防護(hù)墻，借ToF信號處理器ADDI9033搭配紅外光感測組件，采用具有 ToF 測距技術(shù)的組件，可應(yīng)用于工業(yè)自動化中安全防護(hù)的 Virtual Wall （虛擬圍欄）方案。利用ToF的深度數(shù)據(jù)，ADI的方案還可以有效地增加影像的辨識度，達(dá)到對象判斷的精準(zhǔn)度，提供以往機(jī)器所沒有的機(jī)器視覺，避免了激光雷達(dá)與雙攝像頭方案的缺陷。

圖4 ADI 公司的ToF電子圍欄這項(xiàng)安全防護(hù)方案可應(yīng)用在眾多機(jī)器手臂的場合

CCD ToF前端芯片ADDI903x，突出系統(tǒng)級ToF方案優(yōu)勢

每一款解決方案都有它核心的器件，ADI的ToF方案也不例外，其CCD ToF 前端芯片ADDI903x系列就是其ToF方案的核心器件之一，該系列產(chǎn)品可支持CCD紅外光ToF傳感器，分辨率可達(dá)640 x 480像素。ADDI903x可將影像信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并提供高精確度的脈波時間控制器，閉回路設(shè)計，讓激光二極管控制的脈波寬度更準(zhǔn)確，進(jìn)而可以得到更精準(zhǔn)的深度數(shù)據(jù)。

圖5 ADI公司CCD ToF前端芯片ADDI903x提供的功能

以傳感器和前端芯片ADDI903x為核心的ToF技術(shù)方案，擁有超高幀率和實(shí)時性，相比3D激光傳感器的逐點(diǎn)掃描，能快速而又準(zhǔn)確的獲取整體圖像的深度信息。在其它3D技術(shù)中，距離的計算要通過復(fù)雜算法進(jìn)行，而ToF圖像傳感器芯片可直接測量到對象的距離。另外，該方案在戶外性能方面非常出色，可支持940nm光源，并且每個像素都有獨(dú)特的背景照明抑制電路。即使有兩倍的照明峰值功率，該方案也能提供未被干擾的深度數(shù)據(jù)。

圖6 ADI公司ToF方案的完整系統(tǒng)組成

從上圖可以看出除了前端芯片和傳感器，根據(jù)CCD的需求會需要比較多的光電器件，ADI的ToF方案周邊的這些器件都是ADI公司的產(chǎn)品。“該圖片是為了方便大家了解ADI公司ToF的系統(tǒng)組成，但是不建議客戶在使用時進(jìn)行太多修改，因?yàn)樵撓到y(tǒng)中的每一個模塊都是長期和松下等公司磨合完成，任何一個更改都會影響到系統(tǒng)的整體性能。”李佳特別強(qiáng)調(diào)道。

這款系統(tǒng)級別的ToF解決方案與CMOS解決方案相比，在同樣的尺寸或同樣的成本，ToF可提供更高的系統(tǒng)性能。比如高解析度，在光線復(fù)雜的環(huán)境中，可以更好的區(qū)分主體與背景，同時，得力于松下針對940nm發(fā)光波段而設(shè)計的CCD架構(gòu)，可以更精確的捕捉運(yùn)動環(huán)境中的畫面。

圖7 ToF CCD可提供卓越的室外性能

國內(nèi)領(lǐng)先的ToF深度傳感解決方案提供商Pico Zense的ToF深度傳感模組利用的就是ADI公司的ToF方案，其主打產(chǎn)品DCAM710的深度圖像分辨率均可達(dá)到640 x 480像素，畫面每秒傳輸幀數(shù)30FPS，該產(chǎn)品尺寸小、功耗經(jīng)濟(jì)、成像清晰度、精度均達(dá)到VGA標(biāo)準(zhǔn)，可以廣泛適用于智能機(jī)器人、 AR/VR、 微投影、無人機(jī)等領(lǐng)域。據(jù)李佳透露，未來ADI將與更多的公司合作，讓ToF技術(shù)更快、更精準(zhǔn)的落實(shí)在物聯(lián)網(wǎng)模塊化系統(tǒng)級軟硬件解決方案上。

圖8 ADI公司ToF方案產(chǎn)品化計劃圖

本文結(jié)語

作為一種新型的視覺傳感技術(shù)，我們也越來越地明顯感受到了全球各大應(yīng)用市場對諸如ToF這類的3D深度視覺技術(shù)日益旺盛的需求。而對于業(yè)內(nèi)方案商們來說，無論是針對消費(fèi)級還是專業(yè)級應(yīng)用領(lǐng)域，當(dāng)前仍需解決的基礎(chǔ)性問題還很多，未來如何通過技術(shù)手段去真正實(shí)現(xiàn)成本、功耗、體積、速度、壽命、穩(wěn)定性以及抗干擾能力等多方面的平衡，達(dá)到一個相對目前來說更為優(yōu)化的水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)ToF視覺傳感技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中可靠性的成倍提升，是諸如ADI公司之類的技術(shù)方案提供商應(yīng)當(dāng)考慮的重點(diǎn)，也是ToF技術(shù)普及乃至整個市場健康發(fā)展的前提。