3D ToF技术将引爆新一轮行业应用浪潮

随着数字成像技术的发展，相机作为一种传感器被广泛研究。在过去一年多的时间中，ToF技术作为拍照的亮点频频出现在各家的手机产品上。从vivo NEX到荣耀V20，从景深测量到动作捕捉，有了ToF技术加持，智能机能够拍出更好的虚化照片，能够化身为体感游戏机……作为3D深度视觉领域三大主流方案之一，ToF技术除了应用在手机上之外，也在VR/AR手势交互、汽车电子ADAS、安防监控以及新零售等多个领域都开始大显身手，应用前景十分广阔。

“这种技术跟3D激光传感器原理基本类似，只不过3D激光传感器是逐点扫描，而ToF相机则是同时得到整幅图像的深度信息。”ADI系统应用工程经理李佳在分享ADI 3D深度检测技术时指出，“简单来说，通俗点解释就是ToF发射器发射出了一整面平整的‘光墙’，这面光墙打到被测物体表面反射回来，并带回来了深度信息。”ToF发射器向物体发射激光，再由一个接收器接收反射回来的激光，根据激光往返的时间长短和其固定的飞行速度，计算出物体表面上的这个点与ToF相机之间距离。

图1. 使用ToF技术可以得到物体的距离

需求端爆发抬高ToF市场热度

随着体感交互与控制、3D物体识别与感知、智能环境感知以及动态地图构建等技术与市场的发展，各大应用场景都开始对3D视觉与识别技术产生日益浓厚的兴趣和日益旺盛的需求。以现阶段体量最大的两个应用领域为例：一方面，随着智能手机进入存量时代，微创新对深度摄像技术的强烈需求，加之智能手机交互方式的不断变化正促进全球ToF市场快速扩张;另一方面，在汽车电子领域，以ADAS渗透率不断提高为代表的汽车智能化趋势也正加速演进，而作为激光雷达、智能摄像头等深度测距传感器领域最主流的方案，ToF市场也正持续受益。

技术方面，相比3D深度视觉其它两种方案而言，ADI ToF方案在实际应用中的优势不言而喻。举例来讲，在画面拍摄后计算景深时不需要进行后处理，既可避免延迟又可节省采用强大后处理系统带来的相关成本。而且ToF测距规模弹性大，大多数情况下只需改变光源强度、光学视野以及发射器脉冲频率即可完成。由于具有不易受外界光干扰、体积小巧、响应速度快以及识别精度高等多重优势，使得ToF无论是在移动端还是车载等应用领域日渐成为3D视觉的首选技术方案。

图2. 3D视觉主流方案对比

李佳还全面分享了ADI所研发的突破性ToF技术方案，从工业自动化、智能建筑到汽车应用等，全面推进智慧物联网创新的应用开发。“ADI公司的ToF技术之所以受到瞩目，是因为这项技术能达到VGA影像分辨率与精准度，同时又具备更低的功耗与占位空间，深度数据能有效增加影像识别度，达到对象判断的精准度。”李佳一语道破关键。

专业与消费市场相结合，助推ToF技术持续受益

从消费级应用场景来看，随着越来越多智能手机后置深度摄像功能的出现，加之手势交互和环境定位感知渐成VR/AR等新型智能硬件的标配，未来几年消费级领域的ToF应用及市场无疑将呈现出井喷态势。

相比一些专业领域而言，手机后置摄像头以及VR/AR手势交互、环境测量等应用，在技术层面上面临的性能挑战难度通常要更小一些，而关注重点也主要是在低成本、规格大小以及功耗等方面，对于测量速度、寿命和分辨率等方面的要求并不强烈。但对于汽车、工业等这一类的专业级场景来讲，ToF传感系统的设计不仅需要在精度、范围、响应时间、分辨率、成本、功耗以及可用封装要求之间取得平衡。而且针对不同的实际情况中出现的各种不可控的因素，还需要对传感系统的灵活性及抗干扰性等方面进行一些定制化的冗余设计，比如添加一些高可靠性的滤波及抗干扰器件和模块，并加载相关的软件算法，从而保证系统有足够的能力去应对不同类型的突发状况。

以汽车应用领域为例，目前市场上的倒车雷达只能感应是否有障碍物，甚至一些“身材”矮小的障碍物达不到感应范围的要求。采用了ToF技术的倒车系统可同时侦测多个不同距离的行人或障碍物，当检测到有行人或者障碍物靠近，就算是视线死角车顶的树枝，透过软件处理后，能以影像显影或声音警示距离，进一步辅助驾驶得知车后相关路况。

ADI公司所开发的ToF模块结合影像传感器和VGA ToF传感器模块与内建图像处理器方案，比传统音波检测具备更佳的检测角度，也更能准确测量物体跟汽车的距离。因此可为汽车倒车系统、开门防护系统、停车辅助系统及盲点侦测等应用提供更大范围的碰撞侦测预防。

图3. 当检测到有行人或者障碍物靠近，ADI公司的ToF模块能够以影像显示障碍物的大小和相对距离以及声音示警。

同时在智能座舱领域，ADI还提供一系列先进的人机交互(HMI)和驾驶员状态检测先进技术方案，其中采用了业界领先的车规级VGA分辨率ToF技术的3D人脸识别具有抗强光、高分辨率的特点，可实现人脸识别和复杂的手势识别。

实际上，ToF技术在完成物体的3D深度拍照外，同时也能为机器人带来视觉效应，使之能像人类一样具有方向感。在人类与机器人的合作问题上，安全性永远是要考虑的首要问题，尤其是当机器人身处较为拥挤的工作环境中，它们必须能辨认人与机械以及机械的动作，并作出迅速的反应以避免受伤。“自动化工厂中的各类机器人都需要自主避障，如果以激光雷达来解决，成本则需要增加数万元，用双摄像头方案又需要大量的运算和双摄像头精准位置的调教，而ToF则成为解决上述难题的极具性价比的最佳选择。”李佳表示。

ADI对于ToF技术则提供了从硬件芯片到依附于硬件芯片上的算法等多种灵活的方案，其ToF电子围栏方案能设立虚拟安全防护墙，借ToF信号处理器ADDI9033搭配红外光感测组件，采用具有ToF测距技术的组件，可应用于工业自动化中安全防护的Virtual Wall (虚拟围栏)方案。利用ToF的深度数据，ADI的方案还可以有效地增加影像的辨识度，达到对象判断的精准度，提供以往机器所没有的机器视觉，避免了激光雷达与双摄像头方案的缺陷。

图4.ADI 公司的ToF电子围栏这项安全防护方案可应用在众多机器手臂的场合

CCD ToF 前端芯片ADDI903x，突出系统级ToF方案优势

每一款解决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，该系列产品可支持CCD红外光ToF传感器，分辨率可达 640x480。ADDI903x可将影像信号转换为数字信号，并提供高精确度的脉波时间控制器，闭回路设计，让激光二极管控制的脉波宽度更准确，进而可以得到更精准的深度数据。

图5.ADI公司CCD ToF 前端芯片ADDI903x提供的功能

以传感器和前端芯片ADDI903x 为核心的ToF技术方案，拥有超高帧率和实时性，相比3D激光传感器的逐点扫描，能快速而又准确的获取整体图像的深度信息。在其它3D技术中，距离的计算要通过复杂算法进行，而ToF图像传感器芯片可直接测量到对象的距离。另外，该方案在户外性能方面非常出色，可支持940 nm光源，并且每个像素都有独特的背景照明抑制电路。即使有两倍的照明峰值功率，该方案也能提供未被干扰的深度数据。

图6. ADI公司ToF方案的完整系统组成

从上图可以看出除了前端芯片和传感器，根据CCD的需求会需要比较多的光电器件，ADI的ToF方案周边的这些器件都是ADI公司的产品。“该图片是为了方便大家了解ADI公司ToF的系统组成，但是不建议客户在使用时进行太多修改，因为该系统中的每一个模块都是长期和松下等公司磨合完成，任何一个更改都会影响到系统的整体性能。”李佳特别强调道。

这款系统级别的ToF解决方案与CMOS解决方案相比，在同样的尺寸或同样的成本，ToF可提供更高的系统性能。比如高解析度，在光线复杂的环境中，可以更好的区分主体与背景，同时，得力于松下针对940nm发光波段而设计的CCD架构，可以更精确的捕捉运动环境中的画面。

图7.ToF CCD可提供卓越的室外性能

国内领先的TOF深度传感解决方案提供商Pico Zense的TOF深度传感模组利用的就是ADI公司的ToF方案，其主打产品DCAM710的深度图像分辨率均可达到640 x 480，画面每秒传输帧数30FPS，该产品尺寸小、功耗经济、成像清晰度、精度均达到VGA标准，可以广泛适用于智能机器人、 AR/VR、 微投影、无人机等领域。据李佳透露，未来ADI将与更多的公司合作，让ToF 技术更快、更精准的落实在物联网模块化系统级软硬件解决方案上。

图8.ADI公司ToF方案产品化计划图

本文结语

作为一种新型的视觉传感技术，我们也越来越地明显感受到了全球各大应用市场对诸如ToF这类的3D深度视觉技术日益旺盛的需求。而对于业内方案商们来说，无论是针对消费级还是专业级应用领域，当前仍需解决的基础性问题还很多，未来如何通过技术手段去真正实现成本、功耗、体积、速度、寿命、稳定性以及抗干扰能力等多方面的平衡，达到一个相对目前来说更为优化的水平，进而实现ToF视觉传感技术实际应用中可靠性的成倍提升，是诸如ADI公司之类的技术方案提供商应当考虑的重点，也是ToF技术普及乃至整个市场健康发展的前提。