基于iToF的3D視覺測量方案

與通過測量光傳播時間直接計算距離的直接飛行時間（ToF）不同，間接飛行時間（iToF）技術(shù)從反射光脈沖的相位進(jìn)行測量。本文將重點(diǎn)介紹iToF和當(dāng)今部署該技術(shù)的諸多行業(yè)，包括機(jī)器人技術(shù)、物流、建筑測繪以及最近的智能交通系統(tǒng)（ITS）。

許多苛刻的應(yīng)用具有許多要求和更多挑戰(zhàn)

能夠從iToF受益的應(yīng)用要求包含一系列特性，包括視場、距離范圍、反射率范圍和3D幀率。這些對于ToF系統(tǒng)和ToF傳感器的設(shè)計至關(guān)重要。由于靈活性，iToF可以為工廠安全等室內(nèi)應(yīng)用和監(jiān)控或ITS等室外應(yīng)用提供精確測量。iToF適用于反射率范圍小的應(yīng)用（如拾放機(jī)器人）和反射率范圍大的應(yīng)用（倉庫/物流管理）；適用于車內(nèi)應(yīng)用等短程應(yīng)用和自動駕駛等遠(yuǎn)程應(yīng)用；還適用于機(jī)器人導(dǎo)航等小視場應(yīng)用和建筑/建筑測繪等大視場應(yīng)用。 ?

iToF如何運(yùn)行？

iToF技術(shù)根據(jù)多個圖像（或相位）來估計物體的距離。如圖1所示，前兩個圖像是在180度相位下獲得的，通過計算每個相位捕獲的電荷比率可以估計距離，其中第三個圖像則用于去除背景噪聲。

圖1：iToF距離算法示例 “可靠的距離測量”在3D應(yīng)用中意味著什么？這意味著非常精確和準(zhǔn)確的測量，但又不限于此。也就是說不僅要確保精確和準(zhǔn)確地獲得測量結(jié)果，同時具有良好的角分辨率，運(yùn)動模糊/偽影最小，又要可以以合理的性能感測最小和最大距離處的黑暗和明亮物體，等等。因此，可靠的距離測量與非常高的靈活性緊密相關(guān)，更靈活的傳感器可以實(shí)現(xiàn)更可靠的測量。 ?

無運(yùn)動偽影的可靠測量

如上所述，在iToF中，需要多張圖像來估計物體的距離。在所描述的示例中，需要三個圖像（兩個相位+背景）。如果使用當(dāng)今最常見的單暫存節(jié)點(diǎn)像素傳感器，則需要依次曝光和讀出多個相位。拍攝一次光以獲得相位0，另一次以獲得相位1，然后在沒有光和讀出的情況下運(yùn)行第三次采集以獲取背景。只有這樣才能計算3D圖像。因此，如果有移動的物體，就會出現(xiàn)運(yùn)動偽影，因為物體在每次捕捉中都會處于不同的位置。此外，光線需要拍攝兩次，每個相位一次。 使用多暫存節(jié)點(diǎn)像素傳感器，例如所示示例的3暫存節(jié)點(diǎn)像素，所有曝光和讀出均以交錯方式進(jìn)行，因此所有相位幾乎都是并行采集的，從而最大限度地減少運(yùn)動偽影。此外，由于可以使用單列光脈沖即可捕獲所有相位，因此它降低了平均光功率，這從眼睛安全和功耗角度來看都很重要。 圖2描述了這兩種情況：

圖2：單暫存節(jié)點(diǎn)和多暫存節(jié)點(diǎn)像素之間的差異 請注意，運(yùn)動偽影和運(yùn)動模糊之間的區(qū)別類似于2D視覺中卷簾快門和全局快門之間的區(qū)別。運(yùn)動模糊可以稍微扭曲快速移動的物體，但不會提供錯誤信息，而運(yùn)動偽影可以極大地改變物體的外觀并提供錯誤的測量結(jié)果，這在某些應(yīng)用中可能會產(chǎn)生重大后果。

圖3：運(yùn)動模糊/運(yùn)動偽影 - 兩種不同的現(xiàn)象 ? ?

高動態(tài)范圍的可靠測量

ToF的另一個關(guān)鍵問題是動態(tài)范圍。由于物體的反射率和應(yīng)用所需的距離范圍的綜合作用，ToF本質(zhì)上是一種動態(tài)范圍非常高的應(yīng)用。為了說明這一點(diǎn)，假設(shè)一個原始應(yīng)用旨在檢測反射率在15%到85%之間且距離為0.5米到6米的物體，需要改進(jìn)以檢測反射率在1.8%到95%之間且距離達(dá)10米的物體。在這些條件下，新案例需要的動態(tài)范圍是原始案例的25倍以上。這樣的要求僅靠像素本身的滿井容量，不足以滿足。 Teledyne e2v的Hydra3D ToF CMOS圖像傳感器嵌入特定技術(shù)來滿足如此巨大的動態(tài)范圍要求，即通過多次捕獲的非破壞性讀出與高幀率相結(jié)合，使其適用于大多數(shù)應(yīng)用案例。

圖4：ToF本質(zhì)上是一個非常高動態(tài)范圍的應(yīng)用，傳感器必須管理它 ?

在所有條件下都具有高度靈活性的可靠測量

在ToF中，蠻力通常不是一個好主意。在距離范圍、反射率、動態(tài)等方面具有高度靈活性以適應(yīng)非常廣泛的情況，顯然是一項重要優(yōu)勢。在Hydra3D中，單個觸發(fā)器啟動一系列采集和讀出并且非常容易編程，從而成為一個非常強(qiáng)大的工具，適應(yīng)每個應(yīng)用的條件。這看似復(fù)雜實(shí)際上很簡單，如圖5所示。 第一個藍(lán)色輪廓矩形是三個相位的曝光和讀出，產(chǎn)生一個3D圖像。可以在每個測量序列（綠色輪廓矩形）中進(jìn)行多次采集（藍(lán)色輪廓矩形），以增加動態(tài)范圍或提高精度。此外，具有多個測量序列允許在不同的距離范圍內(nèi)進(jìn)行測量，或以不同的精度水平進(jìn)行測量，或執(zhí)行2D捕獲。這一切都發(fā)生在一個觸發(fā)器中。最重要的是，序列可以逐幀實(shí)時更改，而無需停止傳感器。

圖5：高度的靈活性允許擁有不同的測量序列以完美地滿足應(yīng)用需求 這種高可配置性可用于為每個應(yīng)用在距離范圍、反射率范圍、精度、幀率、光功率等之間找到最佳權(quán)衡。 現(xiàn)在讓我們看看這種靈活性優(yōu)勢的一些示例： 對于距離范圍和反射率范圍較小的應(yīng)用，具有單個3D采集的配置（僅第一個藍(lán)色輪廓矩形）就足夠了。在這種情況下，動態(tài)范圍不會是最大的，但可以達(dá)到100 fps的幀率，并且完全沒有運(yùn)動模糊。 對于由于距離范圍和/或反射率范圍大而需要使用HDR功能的應(yīng)用，可以執(zhí)行多次采集和讀出（幾個藍(lán)色輪廓矩形）以增加動態(tài)范圍。通過這樣的應(yīng)用，可以在10米范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)大約25 fps，目標(biāo)反射率在15%到85%之間。 對于覆蓋10米距離范圍但使用三個不同范圍以在整個范圍內(nèi)保持高精度的應(yīng)用。為此，可以使用多個測量序列（綠色輪廓矩形）實(shí)時從一個切換到另一個，具體取決于目標(biāo)對象的位置。因此，可以在較小的距離范圍內(nèi)達(dá)到精度，但覆蓋的距離范圍更大。?

對環(huán)境穩(wěn)健的可靠測量

最后一個挑戰(zhàn)是解決多系統(tǒng)干擾問題。由于ToF需要主動照明，因此一個系統(tǒng)可能會受到在同一區(qū)域同時工作的另一個系統(tǒng)發(fā)出的光的干擾。這會導(dǎo)致不正確的距離測量。為了對這些干擾具有穩(wěn)健性，多系統(tǒng)管理被嵌入到Hydra3D傳感器的片上。正因為如此，系統(tǒng)之間可以完美運(yùn)行，不會造成任何相互干擾，也不會產(chǎn)生任何聯(lián)系。 ? ?

傳感器級創(chuàng)新

傳感器級別的創(chuàng)新有助于克服使許多飛行時間應(yīng)用難以有效實(shí)施的挑戰(zhàn)。像Teledyne e2v的Hydra3D這樣的傳感器實(shí)現(xiàn)了所有這些創(chuàng)新：它高于市場上的平均空間分辨率，具有832 x 600像素，支持高視場和良好的角分辨率。這是一個3暫存節(jié)點(diǎn)像素，適用于三相位iToF技術(shù)，即使對于快速移動的物體也能進(jìn)行可靠的3D檢測而不會出現(xiàn)運(yùn)動偽影。它還可以降低功耗并提高人眼安全性。此外，它在管理高動態(tài)范圍（這在ToF中非常重要）方面非常靈活，使其適用于所有環(huán)境，并且可以配置用于距離測量，包括交錯2D和3D信息捕獲。最后，它集成了一個片上功能，可對在同一區(qū)域工作的其他系統(tǒng)造成的干擾提供穩(wěn)健性，因此相機(jī)制造商在設(shè)計系統(tǒng)時無需解決此問題。 由于機(jī)器人、物流、建筑測繪和ITS等行業(yè)需要更精確和可靠的測量，間接飛行時間技術(shù)將使測量具有穩(wěn)健性和靈活性，沒有偽影。 轉(zhuǎn)自：Teledyne Imagine ，ACT視覺系統(tǒng)設(shè)計 ? 作者：Teledyne e2v公司3D營銷經(jīng)理Yoann Lochardet和Teledyne e2v公司3D產(chǎn)品和應(yīng)用業(yè)務(wù)經(jīng)理Sergio Morillas ?

編輯：黃飛

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