基于iToF的3D視覺測(cè)量方案

與通過(guò)測(cè)量光傳播時(shí)間直接計(jì)算距離的直接飛行時(shí)間(ToF)不同，間接飛行時(shí)間(iToF)技術(shù)從反射光脈沖的相位進(jìn)行測(cè)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(cè)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(chǎng)、距離范圍、反射率范圍和3D幀率。這些對(duì)于ToF系統(tǒng)和ToF傳感器的設(shè)計(jì)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(cè)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(cāng)庫(kù)/物流管理);適用于車內(nèi)應(yīng)用等短程應(yīng)用和自動(dòng)駕駛等遠(yuǎn)程應(yīng)用;還適用于機(jī)器人導(dǎo)航等小視場(chǎng)應(yīng)用和建筑/建筑測(cè)繪等大視場(chǎng)應(yīng)用。

iToF如何運(yùn)行?

iToF技術(shù)根據(jù)多個(gè)圖像(或相位)來(lái)估計(jì)物體的距離。如圖1所示，前兩個(gè)圖像是在180度相位下獲得的，通過(guò)計(jì)算每個(gè)相位捕獲的電荷比率可以估計(jì)距離，其中第三個(gè)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(cè)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(cè)量，但又不限于此。也就是說(shuō)不僅要確保精確和準(zhǔn)確地獲得測(cè)量結(jié)果，同時(shí)具有良好的角分辨率，運(yùn)動(dòng)模糊/偽影最小，又要可以以合理的性能感測(cè)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(cè)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(cè)量。

無(wú)運(yùn)動(dòng)偽影的可靠測(cè)量

如上所述，在iToF中，需要多張圖像來(lái)估計(jì)物體的距離。在所描述的示例中，需要三個(gè)圖像(兩個(gè)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(gè)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(jì)算3D圖像。因此，如果有移動(dòng)的物體，就會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偽影，因?yàn)槲矬w在每次捕捉中都會(huì)處于不同的位置。此外，光線需要拍攝兩次，每個(gè)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(cuò)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(dòng)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(lái)看都很重要。 圖2描述了這兩種情況：

圖2：?jiǎn)螘捍婀?jié)點(diǎn)和多暫存節(jié)點(diǎn)像素之間的差異

請(qǐng)注意，運(yùn)動(dòng)偽影和運(yùn)動(dòng)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(dòng)模糊可以稍微扭曲快速移動(dòng)的物體，但不會(huì)提供錯(cuò)誤信息，而運(yùn)動(dòng)偽影可以極大地改變物體的外觀并提供錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果，這在某些應(yīng)用中可能會(huì)產(chǎn)生重大后果。

圖3：運(yùn)動(dòng)模糊/運(yùn)動(dòng)偽影 - 兩種不同的現(xiàn)象

高動(dòng)態(tài)范圍的可靠測(cè)量

ToF的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍非常高的應(yīng)用。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，假設(shè)一個(gè)原始應(yīng)用旨在檢測(cè)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(cè)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(dòng)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(lái)滿足如此巨大的動(dòng)態(tài)范圍要求，即通過(guò)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(gè)非常高動(dòng)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(cè)量

在ToF中，蠻力通常不是一個(gè)好主意。在距離范圍、反射率、動(dòng)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(xiàng)重要優(yōu)勢(shì)。在Hydra3D中，單個(gè)觸發(fā)器啟動(dòng)一系列采集和讀出并且非常容易編程，從而成為一個(gè)非常強(qiáng)大的工具，適應(yīng)每個(gè)應(yīng)用的條件。這看似復(fù)雜實(shí)際上很簡(jiǎn)單，如圖5所示。 第一個(gè)藍(lán)色輪廓矩形是三個(gè)相位的曝光和讀出，產(chǎn)生一個(gè)3D圖像?？梢栽诿總€(gè)測(cè)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(dòng)態(tài)范圍或提高精度。此外，具有多個(gè)測(cè)量序列允許在不同的距離范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，或以不同的精度水平進(jìn)行測(cè)量，或執(zhí)行2D捕獲。這一切都發(fā)生在一個(gè)觸發(fā)器中。最重要的是，序列可以逐幀實(shí)時(shí)更改，而無(wú)需停止傳感器。

圖5：高度的靈活性允許擁有不同的測(cè)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(gè)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(shì)的一些示例： 對(duì)于距離范圍和反射率范圍較小的應(yīng)用，具有單個(gè)3D采集的配置(僅第一個(gè)藍(lán)色輪廓矩形)就足夠了。在這種情況下，動(dòng)態(tài)范圍不會(huì)是最大的，但可以達(dá)到100 fps的幀率，并且完全沒有運(yùn)動(dòng)模糊。 對(duì)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(gè)藍(lán)色輪廓矩形)以增加動(dòng)態(tài)范圍。通過(guò)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(duì)于覆蓋10米距離范圍但使用三個(gè)不同范圍以在整個(gè)范圍內(nèi)保持高精度的應(yīng)用。為此，可以使用多個(gè)測(cè)量序列(綠色輪廓矩形)實(shí)時(shí)從一個(gè)切換到另一個(gè)，具體取決于目標(biāo)對(duì)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(duì)環(huán)境穩(wěn)健的可靠測(cè)量

最后一個(gè)挑戰(zhàn)是解決多系統(tǒng)干擾問(wèn)題。由于ToF需要主動(dòng)照明，因此一個(gè)系統(tǒng)可能會(huì)受到在同一區(qū)域同時(shí)工作的另一個(gè)系統(tǒng)發(fā)出的光的干擾。這會(huì)導(dǎo)致不正確的距離測(cè)量。為了對(duì)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?yàn)槿绱?，系統(tǒng)之間可以完美運(yùn)行，不會(huì)造成任何相互干擾，也不會(huì)產(chǎn)生任何聯(lián)系。

傳感器級(jí)創(chuàng)新

傳感器級(jí)別的創(chuàng)新有助于克服使許多飛行時(shí)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(chǎng)上的平均空間分辨率，具有832 x 600像素，支持高視場(chǎng)和良好的角分辨率。這是一個(gè)3暫存節(jié)點(diǎn)像素，適用于三相位iToF技術(shù)，即使對(duì)于快速移動(dòng)的物體也能進(jìn)行可靠的3D檢測(cè)而不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(cè)量，包括交錯(cuò)2D和3D信息捕獲。最后，它集成了一個(gè)片上功能，可對(duì)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(jì)系統(tǒng)時(shí)無(wú)需解決此問(wèn)題。 由于機(jī)器人、物流、建筑測(cè)繪和ITS等行業(yè)需要更精確和可靠的測(cè)量，間接飛行時(shí)間技術(shù)將使測(cè)量具有穩(wěn)健性和靈活性，沒有偽影。

審核編輯：湯梓紅