|
隨著(zhù)數字成像技術(shù)的發(fā)展，相機作為一種傳感器被廣泛研究。在過(guò)去一年多的時(shí)間中，ToF技術(shù)作為拍照的亮點(diǎn)頻頻出現在各家的手機產(chǎn)品上。從vivo NEX到榮耀V20，從景深測量到動(dòng)作捕捉，有了ToF技術(shù)加持，智能機能夠拍出更好的虛化照片，能夠化身為體感游戲機……作為3D深度視覺(jué)領(lǐng)域三大主流方案之一，ToF技術(shù)除了應用在手機上之外，也在VR/AR手勢交互、汽車(chē)電子ADAS、安防監控以及新零售等多個(gè)領(lǐng)域都開(kāi)始大顯身手，應用前景十分廣闊。 “這種技術(shù)跟3D激光傳感器原理基本類(lèi)似，只不過(guò)3D激光傳感器是逐點(diǎn)掃描，而ToF相機則是同時(shí)得到整幅圖像的深度信息�！�ADI系統應用工程經(jīng)理李佳在分享ADI 3D深度檢測技術(shù)時(shí)指出，“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，通俗點(diǎn)解釋就是ToF發(fā)射器發(fā)射出了一整面平整的‘光墻’，這面光墻打到被測物體表面反射回來(lái)，并帶回來(lái)了深度信息�！盩oF發(fā)射器向物體發(fā)射激光，再由一個(gè)接收器接收反射回來(lái)的激光，根據激光往返的時(shí)間長(cháng)短和其固定的飛行速度，計算出物體表面上的這個(gè)點(diǎn)與ToF相機之間距離。 
圖1. 使用ToF技術(shù)可以得到物體的距離 需求端爆發(fā)抬高ToF市場(chǎng)熱度 隨著(zhù)體感交互與控制、3D物體識別與感知、智能環(huán)境感知以及動(dòng)態(tài)地圖構建等技術(shù)與市場(chǎng)的發(fā)展，各大應用場(chǎng)景都開(kāi)始對3D視覺(jué)與識別技術(shù)產(chǎn)生日益濃厚的興趣和日益旺盛的需求。以現階段體量最大的兩個(gè)應用領(lǐng)域為例：一方面，隨著(zhù)智能手機進(jìn)入存量時(shí)代，微創(chuàng )新對深度攝像技術(shù)的強烈需求，加之智能手機交互方式的不斷變化正促進(jìn)全球ToF市場(chǎng)快速擴張；另一方面，在汽車(chē)電子領(lǐng)域，以ADAS滲透率不斷提高為代表的汽車(chē)智能化趨勢也正加速演進(jìn)，而作為激光雷達、智能攝像頭等深度測距傳感器領(lǐng)域最主流的方案，ToF市場(chǎng)也正持續受益。 技術(shù)方面，相比3D深度視覺(jué)其它兩種方案而言，ADI ToF方案在實(shí)際應用中的優(yōu)勢不言而喻。舉例來(lái)講，在畫(huà)面拍攝后計算景深時(shí)不需要進(jìn)行后處理，既可避免延遲又可節省采用強大后處理系統帶來(lái)的相關(guān)成本。而且ToF測距規模彈性大，大多數情況下只需改變光源強度、光學(xué)視野以及發(fā)射器脈沖頻率即可完成。由于具有不易受外界光干擾、體積小巧、響應速度快以及識別精度高等多重優(yōu)勢，使得ToF無(wú)論是在移動(dòng)端還是車(chē)載等應用領(lǐng)域日漸成為3D視覺(jué)的首選技術(shù)方案。
圖2. 3D視覺(jué)主流方案對比 李佳還全面分享了ADI所研發(fā)的突破性ToF技術(shù)方案，從工業(yè)自動(dòng)化、智能建筑到汽車(chē)應用等，全面推進(jìn)智慧物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng )新的應用開(kāi)發(fā)�！癆DI公司的ToF技術(shù)之所以受到矚目，是因為這項技術(shù)能達到VGA影像分辨率與精準度，同時(shí)又具備更低的功耗與占位空間，深度數據能有效增加影像識別度，達到對象判斷的精準度�！崩罴岩徽Z(yǔ)道破關(guān)鍵。 專(zhuān)業(yè)與消費市場(chǎng)相結合，助推ToF技術(shù)持續受益 從消費級應用場(chǎng)景來(lái)看，隨著(zhù)越來(lái)越多智能手機后置深度攝像功能的出現，加之手勢交互和環(huán)境定位感知漸成VR/AR等新型智能硬件的標配，未來(lái)幾年消費級領(lǐng)域的ToF應用及市場(chǎng)無(wú)疑將呈現出井噴態(tài)勢。 相比一些專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域而言，手機后置攝像頭以及VR/AR手勢交互、環(huán)境測量等應用，在技術(shù)層面上面臨的性能挑戰難度通常要更小一些，而關(guān)注重點(diǎn)也主要是在低成本、規格大小以及功耗等方面，對于測量速度、壽命和分辨率等方面的要求并不強烈。但對于汽車(chē)、工業(yè)等這一類(lèi)的專(zhuān)業(yè)級場(chǎng)景來(lái)講，ToF傳感系統的設計不僅需要在精度、范圍、響應時(shí)間、分辨率、成本、功耗以及可用封裝要求之間取得平衡。而且針對不同的實(shí)際情況中出現的各種不可控的因素，還需要對傳感系統的靈活性及抗干擾性等方面進(jìn)行一些定制化的冗余設計，比如添加一些高可靠性的濾波及抗干擾器件和模塊，并加載相關(guān)的軟件算法，從而保證系統有足夠的能力去應對不同類(lèi)型的突發(fā)狀況。 以汽車(chē)應用領(lǐng)域為例，目前市場(chǎng)上的倒車(chē)雷達只能感應是否有障礙物，甚至一些“身材”矮小的障礙物達不到感應范圍的要求。采用了 ToF技術(shù)的倒車(chē)系統可同時(shí)偵測多個(gè)不同距離的行人或障礙物，當檢測到有行人或者障礙物靠近，就算是視線(xiàn)死角車(chē)頂的樹(shù)枝，透過(guò)軟件處理后，能以影像顯影或聲音警示距離，進(jìn)一步輔助駕駛得知車(chē)后相關(guān)路況。 ADI公司所開(kāi)發(fā)的ToF模塊結合影像傳感器和VGA ToF傳感器模塊與內建圖像處理器方案，比傳統音波檢測具備更佳的檢測角度，也更能準確測量物體跟汽車(chē)的距離。因此可為汽車(chē)倒車(chē)系統、開(kāi)門(mén)防護系統、停車(chē)輔助系統及盲點(diǎn)偵測等應用提供更大范圍的碰撞偵測預防。
圖3. 當檢測到有行人或者障礙物靠近，ADI公司的ToF模塊能夠以影像顯示障礙物的大小和相對距離以及聲音示警。 同時(shí)在智能座艙領(lǐng)域，ADI還提供一系列先進(jìn)的人機交互（HMI）和駕駛員狀態(tài)檢測先進(jìn)技術(shù)方案，其中采用了業(yè)界領(lǐng)先的車(chē)規級VGA分辨率ToF技術(shù)的3D人臉識別具有抗強光、高分辨率的特點(diǎn)，可實(shí)現人臉識別和復雜的手勢識別。 實(shí)際上，ToF技術(shù)在完成物體的3D深度拍照外，同時(shí)也能為機器人帶來(lái)視覺(jué)效應，使之能像人類(lèi)一樣具有方向感。在人類(lèi)與機器人的合作問(wèn)題上，安全性永遠是要考慮的首要問(wèn)題，尤其是當機器人身處較為擁擠的工作環(huán)境中，它們必須能辨認人與機械以及機械的動(dòng)作，并作出迅速的反應以避免受傷�！白詣�(dòng)化工廠(chǎng)中的各類(lèi)機器人都需要自主避障，如果以激光雷達來(lái)解決，成本則需要增加數萬(wàn)元，用雙攝像頭方案又需要大量的運算和雙攝像頭精準位置的調教，而ToF則成為解決上述難題的極具性?xún)r(jià)比的最佳選擇�！崩罴驯硎�。 ADI對于ToF技術(shù)則提供了從硬件芯片到依附于硬件芯片上的算法等多種靈活的方案，其ToF電子圍欄方案能設立虛擬安全防護墻，借ToF信號處理器ADDI9033搭配紅外光感測組件，采用具有 ToF 測距技術(shù)的組件，可應用于工業(yè)自動(dòng)化中安全防護的 Virtual Wall （虛擬圍欄）方案。利用ToF的深度數據，ADI的方案還可以有效地增加影像的辨識度，達到對象判斷的精準度，提供以往機器所沒(méi)有的機器視覺(jué)，避免了激光雷達與雙攝像頭方案的缺陷。
圖4.ADI 公司的ToF 電子圍欄這項安全防護方案可應用在眾多機器手臂的場(chǎng)合 CCD ToF 前端芯片ADDI903x，突出系統級ToF方案優(yōu)勢 每一款解決方案都有它核心的器件，ADI的ToF方案也不例外，其CCD ToF 前端芯片ADDI903x系列就是其ToF方案的核心器件之一，該系列產(chǎn)品可支持CCD紅外光ToF傳感器，分辨率可達 640x480。ADDI903x可將影像信號轉換為數字信號，并提供高精確度的脈波時(shí)間控制器，閉回路設計，讓激光二極管控制的脈波寬度更準確，進(jìn)而可以得到更精準的深度數據。
圖5.ADI公司CCD ToF 前端芯片ADDI903x提供的功能 以傳感器和前端芯片ADDI903x 為核心的ToF技術(shù)方案，擁有超高幀率和實(shí)時(shí)性，相比3D激光傳感器的逐點(diǎn)掃描，能快速而又準確的獲取整體圖像的深度信息。在其它3D技術(shù)中，距離的計算要通過(guò)復雜算法進(jìn)行，而ToF圖像傳感器芯片可直接測量到對象的距離。另外，該方案在戶(hù)外性能方面非常出色，可支持940 nm光源，并且每個(gè)像素都有獨特的背景照明抑制電路。即使有兩倍的照明峰值功率，該方案也能提供未被干擾的深度數據。
圖6. ADI公司ToF方案的完整系統組成。 從上圖可以看出除了前端芯片和傳感器，根據CCD的需求會(huì )需要比較多的光電器件，ADI的ToF方案周邊的這些器件都是ADI公司的產(chǎn)品�！霸搱D片是為了方便大家了解ADI公司ToF的系統組成，但是不建議客戶(hù)在使用時(shí)進(jìn)行太多修改，因為該系統中的每一個(gè)模塊都是長(cháng)期和松下等公司磨合完成，任何一個(gè)更改都會(huì )影響到系統的整體性能�！崩罴烟貏e強調道。 這款系統級別的ToF解決方案與CMOS解決方案相比，在同樣的尺寸或同樣的成本，ToF可提供更高的系統性能。比如高解析度，在光線(xiàn)復雜的環(huán)境中，可以更好的區分主體與背景，同時(shí)，得力于松下針對940nm發(fā)光波段而設計的CCD架構，可以更精確的捕捉運動(dòng)環(huán)境中的畫(huà)面。
圖7.ToF CCD可提供卓越的室外性能 國內領(lǐng)先的TOF深度傳感解決方案提供商Pico Zense的TOF深度傳感模組利用的就是ADI公司的ToF方案，其主打產(chǎn)品DCAM710的深度圖像分辨率均可達到640 x 480，畫(huà)面每秒傳輸幀數30FPS，該產(chǎn)品尺寸小、功耗經(jīng)濟、成像清晰度、精度均達到VGA標準，可以廣泛適用于智能機器人、 AR/VR、 微投影、無(wú)人機等領(lǐng)域。據李佳透露，未來(lái)ADI將與更多的公司合作，讓ToF 技術(shù)更快、更精準的落實(shí)在物聯(lián)網(wǎng)模塊化系統級軟硬件解決方案上。
圖8.ADI公司ToF方案產(chǎn)品化計劃圖 結語(yǔ) 作為一種新型的視覺(jué)傳感技術(shù)，我們也越來(lái)越地明顯感受到了全球各大應用市場(chǎng)對諸如ToF這類(lèi)的3D深度視覺(jué)技術(shù)日益旺盛的需求。而對于業(yè)內方案商們來(lái)說(shuō)，無(wú)論是針對消費級還是專(zhuān)業(yè)級應用領(lǐng)域，當前仍需解決的基礎性問(wèn)題還很多，未來(lái)如何通過(guò)技術(shù)手段去真正實(shí)現成本、功耗、體積、速度、壽命、穩定性以及抗干擾能力等多方面的平衡，達到一個(gè)相對目前來(lái)說(shuō)更為優(yōu)化的水平，進(jìn)而實(shí)現ToF視覺(jué)傳感技術(shù)實(shí)際應用中可靠性的成倍提升，是諸如ADI公司之類(lèi)的技術(shù)方案提供商應當考慮的重點(diǎn)，也是ToF技術(shù)普及乃至整個(gè)市場(chǎng)健康發(fā)展的前提。 |
