近年來，在智能手機(jī)全面屏與人臉識(shí)別的融合趨勢下，光學(xué)市場中的ToF深度傳感器技術(shù)逐漸嶄露頭角。作為3D深度視覺領(lǐng)域三大主流方案之一， ToF深度傳感技術(shù)（另有結(jié)構(gòu)光與雙目立體成像技術(shù)）依靠體積小、誤差低、直接輸出深度數(shù)據(jù)與抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢也在諸如VR／AR手勢交互、汽車電子ADAS、安防監(jiān)控以及工廠自動(dòng)化等多個(gè)領(lǐng)域開始大顯身手。不過由于硬件成本高昂，加之生態(tài)鏈不成熟等諸多原因，目前ToF技術(shù)的進(jìn)一步深化普及仍充滿挑戰(zhàn)。
ToF技術(shù)解碼
ToF是Time of Flight的縮寫，又稱飛行時(shí)間法3D成像。這種成像技術(shù)通過向目標(biāo)發(fā)射連續(xù)的特定波長的紅外光線脈沖，通過特定傳感器接收待測物體傳回的光信號(hào)，計(jì)算光線往返的飛行時(shí)間或相位差得到待測物體的3D深度信息，ToF相機(jī)的亮度圖像可以通過模型迅速連接起來。
圖１． ToF技術(shù)示意圖
除了上述領(lǐng)域外，軍事和無人駕駛汽車上用的工業(yè)級(jí)激光雷達(dá)（LiDAR）也采用到了ToF技術(shù)，利用激光束來探測目標(biāo)的位置、速度等特征量，結(jié)合了激光、全球定位系統(tǒng)GPS和慣性測量裝置（Inertial Measurement Unit， IMU）三者的作用，進(jìn)行逐點(diǎn)掃描來獲取整個(gè)探測物體的深度信息。
而從全球領(lǐng)先的高性能模擬技術(shù)巨頭ADI近日在臺(tái)北舉行的智慧物聯(lián)應(yīng)用方案巡展上的展示可窺，目前隨著各大應(yīng)用市場對(duì)ToF深度視覺技術(shù)需求的日益增長，外加越來越多的國內(nèi)外半導(dǎo)體大廠們持續(xù)的“推波助瀾”，ToF產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用市場有望開啟新一輪的加速發(fā)展。
專業(yè)與消費(fèi)市場相結(jié)合，助推ToF技術(shù)持續(xù)受益
以現(xiàn)階段體量最大的智能手機(jī)與汽車電子兩個(gè)領(lǐng)域來看，產(chǎn)品存量的持續(xù)擴(kuò)大帶來微創(chuàng)新模式的加速滲透，對(duì)深度攝像技術(shù)的強(qiáng)烈需求加之智能手機(jī)交互方式的不斷變化正促進(jìn)全球ToF市場快速擴(kuò)張；而汽車電子領(lǐng)域以ADAS滲透率不斷提高為代表的汽車智能化趨勢也正加速演進(jìn)，作為激光雷達(dá)、智能攝像頭等深度測距傳感器領(lǐng)域最主流的方案，ToF市場正持續(xù)受益。
具體而言，在汽車應(yīng)用中ToF可以被用于自動(dòng)駕駛、防撞自動(dòng)剎車和OOP等。目前市場上的倒車?yán)走_(dá)只能感應(yīng)是否有障礙物，甚至一些“身材”矮小的障礙物達(dá)不到感應(yīng)范圍的要求。對(duì)此，ADI所開發(fā)的ToF模塊結(jié)合full HD CMOS 影像傳感器和VGA ToF傳感器模塊與內(nèi)建圖像處理器，由于ADI把ToF加上CMOS影像傳感器可做到重迭實(shí)際影像，比傳統(tǒng)音波檢測具備更佳的檢測角度，也更能準(zhǔn)確測量物體跟汽車的距離。因此可為汽車倒車系統(tǒng)、開門防護(hù)系統(tǒng)、停車輔助系統(tǒng)及盲點(diǎn)偵測等應(yīng)用提供更大范圍的碰撞偵測預(yù)防。
圖２． ADI ToF結(jié)合Full HD影像技術(shù)之汽車應(yīng)用
同時(shí)在智能座艙領(lǐng)域，ADI還提供一系列先進(jìn)的人機(jī)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)先的車規(guī)級(jí)VGA分辨率ToF技術(shù)的3D人臉識(shí)別具有抗強(qiáng)光、高分辨率的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別和復(fù)雜的手勢識(shí)別。
工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域加碼，機(jī)器人也有“ToF眼”
實(shí)際上，ToF技術(shù)在完成物體的3D深度拍照外，同時(shí)也為機(jī)器人帶來視覺效應(yīng)，使之能像人類一樣具有方向感。這種技術(shù)將為機(jī)器人應(yīng)用帶來更大的前景，讓機(jī)器人能變得更為高效。
在人類與機(jī)器人的合作問題上，安全性永遠(yuǎn)是要考慮的首要問題，尤其是當(dāng)機(jī)器人身處較為擁擠的工作環(huán)境中，它們必須能辨認(rèn)人與機(jī)械以及機(jī)械的動(dòng)作，并作出迅速的反應(yīng)以避免受傷。因此，自動(dòng)化工廠中的各類機(jī)器人都需要自主避障，如果以激光雷達(dá)來解決，成本則需要增加數(shù)萬元，用雙攝像頭方案又需要大量的運(yùn)算和雙攝像頭精準(zhǔn)位置的調(diào)教，而ToF則成為解決上述難題的極具性價(jià)比的最佳選擇。
ADI對(duì)于ToF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(shè)立虛擬安全防護(hù)墻，借 ToF 信號(hào)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(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化中安全防護(hù)的 Virtual Wall 方案。此外，利用 ToF 的深度資料，ADI 的方案還可以有效地增加影像的辨識(shí)度，達(dá)到對(duì)象判斷的精準(zhǔn)度，提供以往機(jī)器所沒有的機(jī)器視覺，避免了激光雷達(dá)與雙攝像頭方案的缺陷。
圖３． ADI ToF電子圍欄工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用
ADDI9033是ADI一款 CCD ToF 的前端芯片，可支持CCD紅外光ToF傳感器，分辨率可達(dá) 640x480。該產(chǎn)品可將影像信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并提供高精確度的脈波時(shí)間控制器，閉回路設(shè)計(jì)，讓激光二極管控制的脈波寬度更準(zhǔn)確，進(jìn)而可以得到更精準(zhǔn)的深度數(shù)據(jù)。
此外，在工廠自動(dòng)化領(lǐng)域，ToF技術(shù)還可以用于拾取放置作業(yè)以及裝配作業(yè)。在這些應(yīng)用中，機(jī)器人配備了一個(gè)或多個(gè)ToF相機(jī)，可以掃描周圍的環(huán)境，識(shí)別并抓取物體，運(yùn)送至其他地點(diǎn)再放下或?qū)⑽矬w掛到某處。ToF相機(jī)也常被應(yīng)用于需要進(jìn)行質(zhì)量保證的把關(guān)，它們可以識(shí)別尺寸不準(zhǔn)確的物體或形狀，也能識(shí)別物體上的破損與破洞，防止瑕疵品進(jìn)入生產(chǎn)過程。
總結(jié)
不難看出，在各類新型智能終端市場的持續(xù)催動(dòng)下，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)如今已然進(jìn)入了大爆發(fā)時(shí)代，我們也越來越地明顯感受到了全球各大應(yīng)用市場對(duì)諸如ToF這類的3D深度視覺技術(shù)日益旺盛的需求，不過對(duì)于技術(shù)的全面落地需解決的基礎(chǔ)性問題仍很多。未來如何通過技術(shù)手段去真正實(shí)現(xiàn)成本、功耗、體積、速度、壽命、穩(wěn)定性以及抗干擾能力等多方面的平衡，達(dá)到一個(gè)相對(duì)目前來說更為優(yōu)化的水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)ToF視覺傳感技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中可靠性的成倍提升，是諸如ADI之類的技術(shù)方案提供商應(yīng)當(dāng)考慮的重點(diǎn)，也是ToF技術(shù)普及乃至整個(gè)市場健康發(fā)展的前提。