Analog Devices ToF Imaging Presentation
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0935-970-603 施正偉
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來源：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。
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。
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。
「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。
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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