cookieOptions = {...}; .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 - 3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網

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2020年2月3日 星期一

Analog Devices ToF Imaging Presentation


 源:ADI

作為 3D 深度視覺領域三大主流方案之一,ToF 技術除了應用在手機上之外,也在 VR/AR 手勢交互、汽車電子 ADAS、安全監控以及智慧零售等多個領域,都開始大顯身手,應用前景十分廣闊。

隨著數位成像技術的發展,攝影機作為一種感測器被廣泛研究。在過去一年多的時間中,ToF 技術作為拍照的亮點,頻頻出現在各家的手機產品上。

從 vivo NEX 到榮耀 V20,從景深測量到動作捕捉,有了 ToF 技術加持,智慧手機能夠拍出更好的虛化照片,能夠化身為體感遊戲機 …… 作為 3D 深度視覺領域三大主流方案之一,ToF 技術除了應用在手機上之外,也在 VR/AR 手勢交互、汽車電子 ADAS、安全監控以及智慧零售等多個領域,都開始大顯身手,應用前景十分廣闊。

「這種技術跟 3D 雷射感測器原理基本類似,只不過 3D 雷射感測器是逐點掃描,而 ToF 攝影機則是同時得到整幅圖像的深度資訊。ADI 系統應用工程經理李佳,在分享 ADI 3D 深度檢測技術時指出,「簡單來說,通俗點解釋就是 ToF 發射器發射出了一整面平整的光牆,這面光牆打到被測物體表面反射回來,並帶回來了深度資訊。」

ToF 發射器向物體發射雷射光,再由一個接收器接收反射回來的雷射,根據雷射往返的時間長短,和其固定的飛行速度,計算出物體表面上的這個點,與 ToF 攝影機之間距離。

圖1. 使用 ToF 技術可以得到物體的距離。

需求端爆發抬高 ToF 市場熱度
隨著體感交互與控制、3D 物體辨識與感知、智慧環境感知,以及動態地圖建構等,技術與市場的發展,各大應用場景都開始對 3D 視覺與辨識技術,產生日益濃厚的興趣,和日益旺盛的需求。

以現階段體量最大的兩個應用領域為例:一方面,隨著智慧手機進入存量時代,微創新對深度攝影技術的強烈需求,加之智慧手機交互方式的不斷變化,正促進全球 ToF 市場快速擴張;另一方面,在汽車電子領域,以 ADAS 普及率不斷提高為代表的,汽車智慧化趨勢也正加速演進,而作為雷射雷達、智慧攝影機等,深度測距感測器領域最主流的方案,ToF 市場也正持續受益。

技術方面,相比 3D 深度視覺,其它兩種方案而言,ADI ToF方案,在實際應用中的優勢不言而喻。舉例來講,在畫面拍攝後,計算景深時不需要進行後處理,既可避免延遲,又可節省採用強大後處理系統,帶來的相關成本。

而且 ToF 測距規模彈性大,大多數情況下,只需改變光源強度、光學視野,以及發射器脈衝頻率即可完成。由於具有不易受外界光干擾、體積小巧、響應速度快,以及辨識精度高等多重優勢,使得 ToF 無論是在行動端,還是車載等應用領域,日漸成為 3D 視覺的首選技術方案。

圖2. 3D 視覺主流方案對比。

李佳還全面分享了,ADI 所研發的突破性 ToF 技術方案,從工業自動化、智慧建築到汽車應用等,全面推進智慧物聯網創新的應用開發。

「ADI 公司的 ToF 技術之所以受到矚目,是因為這項技術能達到 VGA 影像解析度與精準度,同時又具備更低的功耗與佔位空間,深度數據能有效增加影像辨識度,達到對象判斷的精準度。」李佳一語道破關鍵。

專業與消費市場相結合,助推 ToF 技術持續受益
從消費級應用場景來看,隨著越來越多智慧手機,後置深度攝影功能的出現,加之手勢交互和環境定位感知,漸成 VR/AR 等新型智慧硬體的標配,未來幾年消費級領域的 ToF 應用,及市場無疑將呈現出井噴態勢。

相比一些專業領域而言,手機後置攝影機,以及 VR/AR 手勢交互、環境測量等應用,在技術層面上面臨的性能挑戰難度,通常要更小一些,而關注重點也主要是在低成本、規格大小,以及功耗等方面,對於測量速度、壽命和解析度等方面的要求並不強烈。

但對於汽車、工業等這一類的專業級場景來講,ToF 感測系統的設計,不僅需要在精度、範圍、響應時間、解析度、成本、功耗,以及可用封裝要求之間取得平衡。

而且針對不同的實際情況中,出現的各種不可控的因素,還需要對感測系統的靈活性,及抗干擾性等方面,進行一些客製化的冗餘設計,比如添加一些高可靠性的濾波,及抗干擾器件和模組,並加載相關的軟體算法,從而保證系統有足夠的能力,去應對不同類型的突發狀況。

以汽車應用領域為例,目前市場上的倒車雷達,只能感應是否有障礙物,甚至一些「身材」矮小的障礙物,達不到感應範圍的要求。採用了 ToF 技術的倒車系統,可同時偵測多個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,就算是視線死角車頂的樹枝,透過軟體處理後,能以影像顯影或聲音警示距離,進一步輔助駕駛得知車後相關路況。

ADI 公司所開發的 ToF 模組,結合影像感測器,和 VGA ToF 感測器模組,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的距離。因此可為汽車倒車系統、開門防護系統、停車輔助系統,及盲點偵測等應用,提供更大範圍的碰撞偵測預防。

圖3. 當檢測到有行人或者障礙物靠近,ADI 公司的 ToF 模組,能夠以影像顯示障礙物的大小,和相對距離,以及聲音示警。

同時在智慧座艙領域,ADI 還提供一系列先進的人機交互(HMI),和駕駛員狀態檢測先進技術方案,其中採用了業界領先的車規級 VGA 解析度,ToF 技術的 3D 人臉辨識,具有抗強光、高解析度的特點,可實現人臉辨識,和複雜的手勢辨識。

實際上,ToF 技術在完成物體的 3D 深度拍照外,同時也能為機器人帶來視覺效應,使之能像人類一樣具有方向感。在人類與機器人的合作問題上,安全性永遠是要考慮的首要問題,尤其是當機器人身處較為擁擠的工作環境中,它們必須能辨認人與機械以及機械的動作,並作出迅速的反應以避免受傷。

「自動化工廠中的各類機器人,都需要自主避障,如果以雷射雷達來解決,成本則需要增加數萬元,用雙目攝影機方案,又需要大量的運算,和雙目攝影機精準位置的調教,而 ToF 則成為解決上述難題,極具性價比的最佳選擇。」李佳表示。

ADI 對於 ToF 技術,則提供了從硬體晶片,到依附於硬體晶片上的算法等,多種靈活的方案,其 ToF 電子圍欄方案,能設立虛擬安全防護牆,借 ToF 信號處理器 ADDI9033 搭配紅外線光感測組件,採用具有 ToF 測距技術的組件,可應用於工業自動化中安全防護的 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,提供以往機器所沒有的機器視覺,避免了雷射雷達與雙目攝影機方案的缺陷。

圖4. ADI 公司的 ToF 電子圍籬,這項安全防護方案,可應用在眾多機器手臂的場合。

CCD ToF 前端晶片 ADDI903x,突出系統級 ToF 方案優勢
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 前端晶片 ADDI903x 系列,就是其 ToF 方案的核心器件之一,該系列產品可支持 CCD 紅外光 ToF 感測器,解析度可達 640x480。

ADDI903x 可將影像信號轉換為數位信號,並提供高精確度的脈波時間控制器,閉迴路設計,讓雷射二極管控制的脈波寬度更準確,進而可以得到更精準的深度數據。

圖5. ADI 公司 CCD ToF 前端晶片 ADDI903x 提供的功能。

以感測器和前端晶片 ADDI903x 為核心的 ToF 技術方案,擁有超高幀率和即時性,相比 3D 雷射感測器的逐點掃描,能快速而又準確的,獲取整體圖像的深度資訊。

在其它 3D 技術中,距離的計算要透過複雜算法進行,而 ToF 圖像感測器晶片,可直接測量到對象的距離。

另外,該方案在戶外性能方面非常出色,可支持 940nm 光源,並且每個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晶片和感測器,根據 CCD 的需求,會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 公司的產品。

「該圖片是為了方便大家瞭解 ADI 公司 ToF的系統組成,但是不建議客戶在使用時進行太多修改,因為該系統中的每一個模組,都是長期和松下等公司磨合完成,任何一個更改都會影響到系統的整體性能。」李佳特別強調道。

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,在光線複雜的環境中,可以更好的區分主體與背景,同時,得力於松下針對 940nm 發光波段,而設計的 CCD 架構,可以更精確的捕捉運動環境中的畫面。

圖7. ToF CCD 可提供卓越的室外性能。

TOF 深度感測解決方案提供商,Pico Zense 的 TOF 深度感測模組,利用的就是 ADI 公司的 ToF 方案,其主打產品 DCAM710 的深度圖像解析度,均可達到 640x480,畫面每秒傳輸幀數 30FPS,該產品尺寸小、功耗經濟、成像清晰度、精度均達到 VGA 標準,可以廣泛適用於智能機器人、AR/VR、微投影、無人機等領域。

據李佳透露,未來 ADI 將與更多的公司合作,讓 ToF 技術更快、更精準的落實在,物聯網模組化系統級,軟硬體解決方案上。

圖8. ADI 公司 ToF 方案產品化計劃圖。

本文結語
作為一種新型的視覺感測技術,我們也越來越地明顯感受到了,全球各大應用市場,對諸如 ToF 這類的,3D 深度視覺技術日益旺盛的需求。

而對於業內方案商們來說,無論是針對消費級,還是專業級應用領域,當前仍需解決的基礎性問題還很多,未來如何透過技術手段去真正實現成本、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,達到一個相對目前來說,更為優化的水準,進而實現 ToF 視覺感測技術,實際應用中可靠性的成倍提升,是諸如 ADI 公司之類的技術方案提供商,應當考慮的重點,也是 ToF 技術普及,乃至整個市場健康發展的前提。

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