光學(xué)測(cè)距的ToF技術(shù)

超聲波測(cè)距、紅外線測(cè)距在感測(cè)市場(chǎng)上活躍著，但是隨著人們對(duì)于光的熟識(shí)，光學(xué)測(cè)距逐漸開(kāi)始占據(jù)感測(cè)市場(chǎng)，激光測(cè)距就是其中主要的研究方向之一。利用ToF原理創(chuàng)造了FlightSenseTM技術(shù)，推出了飛行時(shí)間(ToF)傳感器。

StarForm，世界上分辨率最高的TOF相機(jī)

ToF技術(shù)

TOF是飛行時(shí)間（TIme of Flight）技術(shù)的縮寫，即傳感器發(fā)出經(jīng)調(diào)制的近紅外光，遇物體后反射，傳感器通過(guò)計(jì)算光線發(fā)射和反射時(shí)間差或相位差，來(lái)?yè)Q算被拍攝景物的距離，以產(chǎn)生深度信息，此外再結(jié)合傳統(tǒng)的相機(jī)拍攝，就能將物體的三維輪廓以不同顏色代表不同距離的地形圖方式呈現(xiàn)出來(lái)。

不論是自動(dòng)駕駛，還是VR；亦或是現(xiàn)在市面上層出不窮的平衡車，都離不開(kāi)ToF技術(shù)。

TOF測(cè)量原理

發(fā)射的紅外光線被被測(cè)物體反射后回到傳感器，內(nèi)置的計(jì)時(shí)器記錄其來(lái)回時(shí)間，然后即可計(jì)算出其距離。聽(tīng)起來(lái)好像和大家玩爛了的超聲波測(cè)距沒(méi)啥不同。但其實(shí)不然，超聲波測(cè)距對(duì)反射物體要求比較高，面積小的物體，如線、錐形物體就基本測(cè)不到，而TOF紅外測(cè)距完全可克服此問(wèn)題，同時(shí)TOF測(cè)距精度高，測(cè)距遠(yuǎn)，響應(yīng)快。

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。

TOF的優(yōu)勢(shì)

與立體相機(jī)或三角測(cè)量系統(tǒng)比，TOF相機(jī)體積小巧，跟一般相機(jī)大小相去無(wú)幾，非常適合于一些需要輕便、小體積相機(jī)的場(chǎng)合。

TOF相機(jī)能夠?qū)崟r(shí)快速的計(jì)算深度信息，達(dá)到幾十到100fps。TOF的深度信息。而雙目立體相機(jī)需要用到復(fù)雜的相關(guān)性算法，處理速度較慢。

TOF的深度計(jì)算不受物體表面灰度和特征影響，可以非常準(zhǔn)確的進(jìn)行三維探測(cè)。而雙目立體相機(jī)則需要目標(biāo)具有良好的特征變化，否則會(huì)無(wú)法進(jìn)行深度計(jì)算。

TOF的深度計(jì)算精度不隨距離改變而變化，基本能穩(wěn)定在cm級(jí)，這對(duì)于一些大范圍運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合非常有意義。

3D 深度攝像技術(shù)的方案比較

TOF 只是 3D 深度攝像技術(shù)中的一種方案。目前主流的 3D 深度攝像主流有三種方案：結(jié)構(gòu)光、TOF、雙目成像。

結(jié)構(gòu)光（Structured Light）：

結(jié)構(gòu)光投射特定的光信息到物體表面后，由攝像頭采集。根據(jù)物體造成的光信號(hào)的變化來(lái)計(jì)算物體的位置和深度等信息，進(jìn)而復(fù)原整個(gè)三維空間。（蘋果iPhone X 用的就是這個(gè)方案）

TOF（Time Of Flight）：

TOF 系統(tǒng)是一種光雷達(dá)系統(tǒng)，可從發(fā)射極向?qū)ο蟀l(fā)射光脈沖，接收器則可通過(guò)計(jì)算光脈沖從發(fā)射器到對(duì)象，再以像素格式返回到接收器的運(yùn)行時(shí)間來(lái)確定被測(cè)量對(duì)象的距離。

雙目成像（Stereo System）：

利用雙攝像頭拍攝物體，再通過(guò)三角形原理計(jì)算物體距離。

這三種方案中，雙目測(cè)距成像因?yàn)樾实?、算法難、精度差、容易受到環(huán)境因素干擾；TOF 方案同樣有精度缺陷，傳感器體積小型化之后對(duì)分辨率影響大。

ToF技術(shù)的應(yīng)用

汽車電子

在汽車應(yīng)用中，ToF可以被用于自動(dòng)駕駛、防撞自動(dòng)剎車和OOP等等。

Infineon與科世達(dá)推出的基于英飛凌3D圖像傳感器芯片的攝像頭駕駛員輔助系統(tǒng)。

在飛行時(shí)間（ToF）原理支持下，該系統(tǒng)可精確檢測(cè)駕駛員身體和頭部位置，甚至在其戴眼鏡或太陽(yáng)鏡的情況下捕獲其眨眼動(dòng)作，以判斷駕駛員是否注意力足夠集中、是否正疲勞駕駛，從而啟動(dòng)相應(yīng)對(duì)策。譬如，通過(guò)振動(dòng)座椅或警告音。駕駛員注意力越不集中，汽車就越會(huì)提起注意。為了快速和準(zhǔn)確地做出響應(yīng)，輔助系統(tǒng)和緊急制動(dòng)系統(tǒng)可在潛在緊急情況發(fā)生之前自動(dòng)激活。

英飛凌3D圖像傳感器芯片

此外，該技術(shù)還可以通過(guò)手部運(yùn)動(dòng)或身體姿勢(shì)控制車載娛樂(lè)系統(tǒng)或車用空調(diào)，甚至在車外實(shí)現(xiàn)全新的輔助和安全功能，比如開(kāi)門輔助設(shè)備，在停車場(chǎng)或家用地庫(kù)時(shí)防止車門打開(kāi)后撞上其它車、墻壁或天花板。英飛凌方案設(shè)計(jì)合作伙伴GesTIgon在大會(huì)上現(xiàn)場(chǎng)演示了英飛凌ToF傳感器如何實(shí)現(xiàn)車用物體跟蹤與手勢(shì)識(shí)別，以達(dá)到“三維虛擬現(xiàn)實(shí)”。

人機(jī)界面與游戲

ToF提供了一種實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)方影像，所以可以非常簡(jiǎn)單地用來(lái)記錄人體動(dòng)作。這使得許多消費(fèi)電子類產(chǎn)品（比如電視）有了全新的交互方式，Xbox Kinect二代就是用了這種技術(shù)。

Kinect搭載的是Depth的傳感器，可以取得Depth數(shù)據(jù)（和傳感器的距離信息）。整個(gè)Kinect其實(shí)就是一個(gè)大蝙蝠，紅外投射器不斷向外發(fā)出紅外結(jié)構(gòu)光，就相當(dāng)于蝙蝠向外發(fā)出的聲波，紅外結(jié)構(gòu)光照到不同距離的地方強(qiáng)度會(huì)不一樣，如同聲波會(huì)衰減一樣。紅外感應(yīng)器呢，相當(dāng)于蝙蝠的耳朵，用來(lái)接收反饋的消息，不同強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)光會(huì)在紅外感應(yīng)器上產(chǎn)生不同強(qiáng)度的感應(yīng)，這樣，Kinect就知道了面前物體的深度信息，將不同深度的物體區(qū)別開(kāi)來(lái)。

手機(jī)自動(dòng)對(duì)焦攝像

以手機(jī)自動(dòng)對(duì)焦中使用ToF傳感器為例，以往的自動(dòng)對(duì)焦功能通常采用集成在手機(jī)圖像信號(hào)處理器中的一套數(shù)據(jù)計(jì)算方法。當(dāng)取景器捕捉到最原始的圖像后，這些圖像數(shù)據(jù)會(huì)被當(dāng)作原始資料傳送至圖像信號(hào)處理器中，圖像信號(hào)處理器對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，檢查圖像中毗鄰像素之間的密度差異，從中挑出最好的那一幀圖像即為呈現(xiàn)在我們眼前的照片。而采用了ToF傳感器的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)，則是通過(guò)檢測(cè)物體與相機(jī)之間的距離來(lái)進(jìn)行對(duì)焦，減少了相機(jī)抓取圖像幀數(shù)的數(shù)量，即使是在弱光下也能夠快速清晰地抓取圖像。在拍攝視頻方面，在兩米內(nèi)的移動(dòng)均能夠進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)距并抓取圖像。

未來(lái)的ToF傳感器的測(cè)距將加大感測(cè)距離，就需要接收器能夠檢測(cè)到更多的光子，除了結(jié)構(gòu)之外還需要光學(xué)的輔助，還可通過(guò)凹凸透鏡抓取更多的光子實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的光學(xué)測(cè)距。將會(huì)成為實(shí)現(xiàn)我們未來(lái)智能社會(huì)生活環(huán)境的最基礎(chǔ)的技術(shù)之一。