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[导读]因为特殊原因,苹果今年春季没有线下发布会,他们准备好了一系列新品从3月18日起陆续出现在官网。3月18日是“电脑类新品日”,当晚便更新了三款硬件,Macmini和MacBookAir算是常规操作,升级芯片加大硬盘。而iPadPro则是一次相对幅度较大的改变,它的目标,是取代电脑(...

因为特殊原因,苹果今年春季没有线下发布会,他们准备好了一系列新品从3月18日起陆续出现在官网。3月18日是“电脑类新品日”,当晚便更新了三款硬件,Mac mini和MacBook Air算是常规操作,升级芯片加大硬盘。而iPad Pro则是一次相对幅度较大的改变,它的目标,是取代电脑(Your next computer is not a computer)。2020款iPad Pro正值第一代iPad发布10周年,10年之前,乔布斯坐在沙发上,拿着iPad告诉人们,手机与电脑中间,仍然可以有一类产品存在的必要,而今天他存在的目标竟然是要取代电脑。






iPad Pro最吸引人的并不是因为加入了“双摄”,而是首次引入了“激光雷达”组件,采用dToF技术,这一发布把本就很火热的dToF技术推向了整个行业关注的焦点。本文将介绍ToF系列相关的技术及应用。






ToF技术解码


ToF是Time of Flight的缩写,直译为飞行时间,又称飞行时间法3D成像。这种成像技术通过向目标发射连续的特定波长的红外光脉冲,通过特定传感器接收待测物体传回的光信号,计算光线往返的飞行时间或相位差得到待测物体的3D深度信息。这种调制方式对发射器和接收器的要求较高,光速那么快,对于时间的测量有极高的精度要求。



在实际应用中,通常调制成脉冲波(一般是正弦波),当遇到障碍物发生漫反射,再通过特制的CMOS传感器接收反射的正弦波,这时波形已经产生了相位偏移,通过相位偏移可以计算物体到深度相机的距离。

原理不复杂,但要实现较高的测量精度,并将发射接收模块小型化并不容易。由于测量光的飞行时间需要非常高的频率和精度,早期的ToF设备在体积上一直存在问题,成本也高,所以多用于工业领域(比如自动驾驶用的激光雷达90%都是采用ToF技术)。ToF的小型化极大依赖于近年来集成电路和传感器技术的突破,使得在CMOS芯片上对光脉冲相位的测量逐渐变得可行。目前最小的ToF模块尺寸只有8*12mm(包括传感器,镜头IR发射器及电路)。




iToF or dToF?


ToF现有的技术路线中有iToF、dToF、pToF(其实也属于dToF)、cwToF(其实也属于iToF)等方案。dToF,direct Time of Flight, 顾名思义就是直接测量飞行时间。ToF最初就是希望能直接测量时间来对应距离,但能达到ps级分辨率的测量系统成熟的较慢,dToF大多依托SPAD TDC。


SPAD Single Photon Avalanche Diode,单光子雪崩二极管,这是一种能在ps级的时间内产生响应电流的器件,其工作原理是采用反向偏压的光电二极管,使其工作在超过击穿电压而尚未击穿的很小的一个电压范围内,此时的二极管处在非常敏感的工作区间,因此只要有微弱的光信号即可引发其产生雪崩电流,相应速度极快。但SPAD工艺非常复杂,世界上能做的厂家较少,集成难度高,而SPAD的初衷并不是用来测距,而是用来记录一些超快实验的过程。这也是为什么先前一直没有厂家将dToF方案塞进手机平板产品中的一大原因,不过现在逐渐有厂家开始将dToF技术引入到扫地机器人这样的产品中,不过模组体积要比iPad Pro上大很多。


TDC,Ttime Digtal Converter,时间数字转换电路, 通过与发射端的时间同步,接收到的光信号能够在ps级的时间内产生电流并被TDC探测记录,经过N次的发射与接收,TDC能够记录n次(n


随着阵列SPAD的出现,以及阵列数的迅速提升,相信dtof很快会在未来取代itof方案,因为dtof在很多关键性能方面对itof都有绝对优势,但其技术壁垒比较高。iToF,indirect Time of Flight,顾名思义是间接测量时间的一种方法,大部分的间接测量方案都是采用了测相位偏移的方法,即发射的正弦波与接收的正弦波之间的相位差,然后间接计算得到飞行时间,最后再得到距离。常见的有四步相移法和两步相移法等。因为iToF输出一帧深度图像通常需要采集多个相位的图像数据来计算相位差,因此iToF相对整体功耗比较高,而且提高深度图的帧率会比较困难。为了解决这些问题,iToF采用增加脉冲瞬时功率、多像素融合Binning的方式来提高信噪比,从而降低功耗,增大探测距离,不过iTof的优势是因为sensor 的pixel相对较小(可以做到5um,甚至3.5um),所以分辨率可以做高。






pToF, pulse Time of Flight,脉冲飞行时间。pToF的核心原理是对探测物体打一束时间极短的激光,通过直接测量激光发射、打到探测物体再返回到探测器的飞行时间,来反推探测器到被测物的距离。由于光的飞行速度极快,因此该方案需要一个非常精细的时钟电路(通常是ps级)和脉宽极窄的激光发射电路(通常是ns级),因此开发难度和门槛较高,但一般采用pToF原理的激光雷达通常都能达到百米级别的探测距离。






3D深度技术


ToF只是3D深度技术中的一种,目前主流的3D深度测量方案有结构光、ToF、双目视觉三种。结构光(Structured Light),结构光是通过红外激光器,将具有一定结构特征的光线投射到被测物体上,再由专门的红外摄像头进行采集反射的结构光图案,根据物体造成的光信号的变化来计算物体的位置和深度等信息,进而复原整个三维空间。(苹果iPhone X用的就是这个方案)

ToF(Time of Flight),TOF就是通过红外发射器发射调制过的光脉冲,遇到物体反射后,用接收器接收反射回来的光脉冲,并根据光脉冲的往返时间计算与物体之间的距离。双目成像(Stereo System),利用双摄像头拍摄物体,再通过三角原理计算物体距离。




结构光


ToF


双目


基础原理 散斑结构光 飞行时间 视差算法、三角测量
光源 15000个散斑 均匀面光源
识别距离 短(几米,受光斑图案影响) 中等(几米到几十米,受光源强度影响) 依赖于两颗摄像头的视距和间距
响应时间
适用场景 全天候 全天候 暗光、无特征点无法使用
低光环境表现
高光环境变现 中等 良好
精度
分辨率
材料成本
软件复杂度
功耗
缺点 易受光照影响,强光不适用 平面分辨率低 昏暗环境、特征不明显的场合不适用
应用场景 人脸识别、手势识别 3D建模、AR、体感 背景虚化
代表厂家 iPhone  X、PrimeSense、Intel Infineon、Microsoft、TI、ST Leap  MoTion、Intel

ToF技术的应用


TOF技术具有丰富的应用场景,在汽车电子、工业、安防、AR/VR、消费电子等诸多领域都有应用。


汽车:ToF技术可以用于感知传感器(比如激光雷达),对行车环境进行感知,从而获取环境信息以增加安全性等,用于自动驾驶、防撞自动刹车等等。


工业现场:利用深度视觉识别外界环境、规划路径、实现避障工作等等;还可以进行工业定位、工业引导和体积预估等等。


安防监控:利用景深进行人数统计(People counting,俗称“数人头”),确定进入某区域的人数;通过对人流或复杂交通系统的人数统计,实现对安防系统的统计分析设计;以及敏感地区的检测对象监视等等。


AR/VR:ToF提供了一种实时的远方影像,可以非常简单地用来记录人体动作,识别表情,制作影视特效等等。比如Xbox Kinect二代就用了这种技术。


手机等消费电子:这是目前应用最火热的领域,苹果(iPad Pro)、三星(S10 5G版、Note 10 5G版)、华为(P40 Pro、Mate 30 Pro、P30 Pro等等)、OV(R17 Pro、NEX双屏版)等各大手机厂商均推出了ToF深度相机。




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