行業新聞

ToF技術

ToF技術的原理是：測量發射紅外(IR)信號與相位延遲計算每個Sensor像素到目標物體的距離。TOF是Time of flight的簡寫，直譯為飛行時間的意思。所謂飛行時間法3D成像，是通過給目標連續發送光脈沖，然后利用傳感器接收從物體返回的光，通過探測光脈沖的飛行時間來得到目標物的距離。TOF的深度精度不隨距離改變而變化，基本能穩定在CM級。

缺點：精確度低、空間分辨率低運動模糊(motion blur 相機運動或目標運動) 

優點：TOF雖然目前精度在厘米級，比Leap Motion等毫米級要低，但目前的設備已經比Leap Motion等更小也更便宜，未來可以做到更小，能夠植入移動端。

TOF原理

飛行時間法深度測量基本原理示意圖

（來源：計算機視覺life）

飛行時間是從Time of Flight直譯過來的，簡稱TOF。其基本原理是通過連續發射光脈沖（一般為不可見光）到被觀測物體上，然后接收從物體反射回去的光脈沖，通過探測光脈沖的飛行（往返）時間來計算被測物體離相機的距離。TOF法根據調制方法的不同，一般可以分為兩種：脈沖調制（Pulsed Modulation）和連續波調制（Continuous Wave Modulation）。

脈沖調制

脈沖調制方案的原理比較簡單，它直接根據脈沖發射和接收的時間差來測算距離，如下圖所示。

光脈沖法工作原理示意圖

（來源：計算機視覺life）

脈沖調制方案的照射光源一般采用方波脈沖調制，這是因為它用數字電路來實現相對容易。接收端的每個像素都是由一個感光單元（如光電二極管）組成，它可以將入射光轉換為電流，感光單元連接著多個高頻轉換開關（下圖的G0，G1）可以把電流導入不同的可以儲存電荷(下圖S0，S1)的電容里。

方波脈沖調制原理圖

（來源：計算機視覺life）

相機上的控制單元打開光源然后再關閉，發出一個光脈沖。在同一時刻，控制單元打開和關閉接收端的電子快門。接收端接收到的電荷S0被存儲在感光元件中。

然后，控制單元第二次打開并關閉光源。這次快門打開時間較晚，即在光源被關閉的時間點打開。新接收到的電荷S1也被存儲起來。具體過程如下圖所示。

光脈沖原理圖（來源：計算機視覺life）

因為單個光脈沖的持續時間非常短，此過程會重復幾千次，直到達到曝光時間。然后感光傳感器中的值會被讀出，實際距離可以根據這些值來計算。

脈沖調制的優點是測量方法簡單，響應較快；由于發射端能量較高，所以一定程度上降低了背景光的干擾。但也存在缺點：發射端需要產生高頻高強度脈沖，對物理器件性能要求很高；對時間測量精度要求較高；環境散射光對測量結果有一定影響。

連續波調制

實際應用中，通常采用的是正弦波調制。由于接收端和發射端正弦波的相位偏移和物體距離攝像頭的距離成正比，因此可以利用相位偏移來測量距離。

連續波調制原理示意圖

（來源：計算機視覺life）

連續波調制的測量原理相對脈沖調制來說復雜一些。同樣具備優缺點，

優點：

-相位偏移相對于脈沖調試法消除了由于測量器件或者環境光引起的固定偏差。

-可以根據接收信號的振幅A和強度偏移B來間接的估算深度測量結果的精確程度（方差）。

-不要求光源必須是短時高強度脈沖，可以采用不同類型的光源，運用不同的調制方法.

缺點：

-需要多次采樣積分，測量時間較長，限制了相機的幀率。

-需要多次采樣積分，測量運動物體時可能會產生運動模糊。

微軟推出了兩款Kinect，Kinect一代（Kinect v1）是基于結構光原理的深度相機，Kinect二代（Kinect v2），正是基于TOF原理的深度相機。

紐豪斯認為，ToF既然是一種非常好的測距技術，那么用于非人臉識別領域最適合不過了。相比較3D結構光方案，ToF還可以適用于室外場景，適用性得到大大的加強。

參考文獻：

深度相機技術對比，人人智能，王海增

雙目立體視覺的數學原理，沈子恒，https://blog.csdn.net/shenziheng1/article/details/52883536

深度相機原理揭秘--結構光，計算機視覺life，https://blog.csdn.net/electech6/article/details/78707839

深度相機原理揭秘--飛行時間（TOF），計算機視覺life，https://blog.csdn.net/electech6/article/details/78349107

3D ToF技術市場熱度高居不下，系統級解決方案引爆新一輪行業應用浪潮，MEMS，麥姆斯咨詢

-全文完-