飛行時(shí)間(TOF)相機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用領(lǐng)域

3D TOF 相機(jī)特性

利用TOF技術(shù)成像的設(shè)備被稱為TOF相機(jī)（或TOF攝像頭）， TOF相機(jī)與普通機(jī)器視覺(jué)成像過(guò)程也有類似之處，都是由光源、光學(xué)部件、傳感器（TOF芯片）、控制電路以及處理電路等幾部單元組成。這種技術(shù)跟3D激光傳感器原理基本類似，只不過(guò)3D激光傳感器是逐點(diǎn)掃描，而TOF相機(jī)則是同時(shí)得到整幅圖像的深度信息。

與同屬于非侵入式三維探測(cè)、適用領(lǐng)域非常類似的雙目測(cè)量系統(tǒng)相比，TOF相機(jī)具有根本不同3D成像機(jī)理。雙目立體測(cè)量通過(guò)左右立體像對(duì)匹配后，再經(jīng)過(guò)三角測(cè)量法來(lái)進(jìn)行立體探測(cè)，而TOF相機(jī)是通過(guò)入、反射光探測(cè)來(lái)獲取的目標(biāo)距離獲取。

TOF技術(shù)采用主動(dòng)光探測(cè)方式，與一般光照需求不一樣的是，TOF照射單元的目的不是照明，而是利用入射光信號(hào)與反射光信號(hào)的變化來(lái)進(jìn)行距離測(cè)量，所以，TOF的照射單元都是對(duì)光進(jìn)行高頻調(diào)制之后再進(jìn)行發(fā)射。

與普通相機(jī)類似，TOF相機(jī)芯片前端需要一個(gè)搜集光線的鏡頭。不過(guò)與普通光學(xué)鏡頭不同的是這里需要加一個(gè)帶通濾光片來(lái)保證只有與照明光源波長(zhǎng)相同的光才能進(jìn)入。同時(shí)由于光學(xué)成像系統(tǒng)具有透視效果，不同距離的場(chǎng)景為各個(gè)不同直徑的同心球面，而非平行平面，所以在實(shí)際使用時(shí)，需要后續(xù)處理單元對(duì)這個(gè)誤差進(jìn)行校正。

作為TOF的相機(jī)的核心，TOF芯片每一個(gè)像元對(duì)入射光往返相機(jī)與物體之間的相位分別進(jìn)行紀(jì)錄。該傳感器結(jié)構(gòu)與普通圖像傳感器類似，但比圖像傳感器更復(fù)雜，它包含2個(gè)或者更多快門，用來(lái)在不同時(shí)間采樣反射光線。

因?yàn)檫@種原因，TOF芯片像素比一般圖像傳感器像素尺寸要大得多，一般100um左右。照射單元和TOF傳感器都需要高速信號(hào)控制，這樣才能達(dá)到高的深度測(cè)量精度。比如，照射光與TOF傳感器之間同步信號(hào)發(fā)生10ps的偏移，就相當(dāng)于1.5mm的位移。而當(dāng)前的CPU 可到3GHz，相應(yīng)得時(shí)鐘周期是300ps，則相應(yīng)得深度分辨率為45mm。運(yùn)算單元主要是完成數(shù)據(jù)校正和計(jì)算工作，通過(guò)計(jì)算入射光與反射光相對(duì)相移關(guān)系，即可求取距離信息。

TOF相機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)分析

TOF相機(jī)優(yōu)點(diǎn)：

1、相對(duì)二維圖像，可通過(guò)距離信息獲取物體之間更加豐富的位置關(guān)系，即區(qū)分前景與后景；

2、深度信息依舊可以完成對(duì)目標(biāo)圖像的分割、標(biāo)記、識(shí)別、跟蹤等傳統(tǒng)應(yīng)用；

3、經(jīng)過(guò)進(jìn)一步深化處理，可以完成三維建模等應(yīng)用；

4、能夠快速完成對(duì)目標(biāo)的識(shí)別與追蹤；

5、主要配件成本相對(duì)低廉，包括CCD和普通 LED 等，對(duì)今后的普及化生產(chǎn)及使用有利；

6、借助 CMOS 的特性，可獲取大量數(shù)據(jù)及信息，對(duì)復(fù)雜物體的姿態(tài)判斷極為有效；

7、無(wú)需掃描設(shè)備輔助工作。

TOF相機(jī)缺點(diǎn)：

1、相對(duì)于普通數(shù)碼相機(jī)，其造價(jià)仍然偏高，影響該產(chǎn)品目前的普及使用率；

2、相機(jī)本身仍然受到硬件發(fā)展的限制，更新?lián)Q代速度較快；

3、測(cè)量距離較常規(guī)測(cè)量?jī)x器短，一般不超過(guò) 10 米；

4、測(cè)量結(jié)果受被測(cè)物性質(zhì)的影響；

5、大多數(shù)機(jī)器的測(cè)量結(jié)果受外界環(huán)境干擾較為明顯，尤其是受外界光源干擾；

6、分辨率相對(duì)較低，

7、系統(tǒng)誤差及隨機(jī)誤差對(duì)結(jié)果影響明顯，需要進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理。

TOF應(yīng)用領(lǐng)域

TOF技術(shù)具有豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，在汽車、工業(yè)、人臉識(shí)別、物流、安撫監(jiān)控、健康，游戲、娛樂(lè)、電影特效、3D打印和機(jī)器人等諸多領(lǐng)域都有應(yīng)用。

汽車：TOF傳感器可以用于自動(dòng)駕駛，通過(guò)TOF技術(shù)對(duì)行車環(huán)境進(jìn)行感知，從而獲取環(huán)境信息以增加安全性，此外TOF還可以用于汽車內(nèi)的乘客離位檢測(cè)。

工業(yè)領(lǐng)域：TOF傳感器可以被用作HMI(人機(jī)接口：Human Machine Interface)，在高度自動(dòng)化的工廠中，工人和機(jī)器人需要在很近的距離下協(xié)同工作，TOF設(shè)備可以用于控制各種情形下的安全距離。

人臉識(shí)別系統(tǒng)：TOF相機(jī)的亮度圖像和深度信息可以通過(guò)模型連接起來(lái)，迅速精準(zhǔn)的完成人臉匹配和檢測(cè)。

物流行業(yè)：通過(guò) TOF 相機(jī)迅速獲得包裹的拋重（即體積），來(lái)優(yōu)化裝箱和進(jìn)行運(yùn)費(fèi)評(píng)估；

安防和監(jiān)控：利用景深進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計(jì)（ Peoplecounting）俗稱“數(shù)人頭”，確定進(jìn)入某區(qū)域的人數(shù)；通過(guò)對(duì)人流或復(fù)雜交通系統(tǒng)的人數(shù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)安防系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析設(shè)計(jì)；以及敏感地區(qū)的檢測(cè)對(duì)象監(jiān)視；

機(jī)器視覺(jué)：工業(yè)定位、工業(yè)引導(dǎo)和體積預(yù)估；替代工位上占用大量空間的、基于紅外光進(jìn)行安全生產(chǎn)控制的設(shè)備；

機(jī)器人：使用深度視覺(jué)進(jìn)行導(dǎo)航、識(shí)別外界的環(huán)境、規(guī)劃路徑、實(shí)現(xiàn)避障工作等；

醫(yī)療和生物：足部矯形建模、病人活動(dòng)/狀態(tài)監(jiān)控、手術(shù)輔助；

互動(dòng)娛樂(lè)：動(dòng)作姿勢(shì)探測(cè)、表情識(shí)別、娛樂(lè)廣告；在制作影視特時(shí)，TOF相機(jī)可以將深度信息附加在視頻圖像中，精確確定場(chǎng)景中每個(gè)像素的空間位置。通過(guò)簡(jiǎn)單的后期處理，就能將特效道具插入影片的任何位置。

此外，無(wú)論是固定式還是移動(dòng)式的，TOF設(shè)備都可以作為一個(gè)性能優(yōu)異的輸入設(shè)備。TOF相機(jī)的手勢(shì)識(shí)別能力特別適用于消費(fèi)電子領(lǐng)域，例如游戲、手持式設(shè)備和家庭娛樂(lè)，以TOF設(shè)備為第一人稱游戲提供了直觀的接口，完全可以代替遠(yuǎn)程控制，鼠標(biāo)和觸摸屏。

審核編輯：湯梓紅