【導(dǎo)讀】據(jù)IHS Markit報告，基于ToF（飛行時間法）方案的多方面優(yōu)勢，預(yù)計2022年ToF市場規(guī)模將達到15億美元，占3D傳感市場的50%左右。ToF正在成為眾多創(chuàng)新應(yīng)用的關(guān)鍵賦能科技之一，這也與ToF技術(shù)解決方案主導(dǎo)廠商之一的ADI產(chǎn)品與市場趨勢一致——該公司在2014年開始為國外某知名AR眼鏡定制ToF技術(shù)，該產(chǎn)品成功落地并實現(xiàn)人機交互和3D重建功能；2016-2017年，ADI ToF技術(shù)用于車內(nèi)手勢識別……
據(jù)IHS Markit報告，基于ToF（飛行時間法）方案的多方面優(yōu)勢，預(yù)計2022年ToF市場規(guī)模將達到15億美元，占3D傳感市場的50%左右。ToF正在成為眾多創(chuàng)新應(yīng)用的關(guān)鍵賦能科技之一，這也與ToF技術(shù)解決方案主導(dǎo)廠商之一的ADI產(chǎn)品與市場趨勢一致——該公司在2014年開始為國外某知名AR眼鏡定制ToF技術(shù)，該產(chǎn)品成功落地并實現(xiàn)人機交互和3D重建功能；2016-2017年，ADI ToF技術(shù)用于車內(nèi)手勢識別；2018年，ADI ToF技術(shù)開始與國內(nèi)某品牌手機合作并成功批量上市……而近兩年在ADI在ToF應(yīng)用落地頻度明顯增加，無論是工業(yè)完全中的虛擬圍欄、還是手機人臉識別，或者汽車、無人機及機器人自主導(dǎo)航應(yīng)用中紛紛涉及。
就在前不久，ADI宣布與Jungo合作開發(fā)基于飛行時間(ToF)和2D紅外(IR)技術(shù)的攝像頭解決方案，以實現(xiàn)車內(nèi)駕駛員及座艙監(jiān)測。ADI的ToF技術(shù)和Jungo的CoDriver軟件相結(jié)合，有望通過觀察頭部、身體位置以及眼睛注視情況，監(jiān)測車內(nèi)人員的睡意和注意力分散程度。該解決方案還有望實現(xiàn)基于面部、身體和手勢的智能交互，提供各個車內(nèi)人員的人臉識別功能，從而實現(xiàn)個性化信息娛樂及服務(wù)以及拼車支付等功能。 隨著類似汽車及工業(yè)應(yīng)用的增加，可靠性成為最重要的關(guān)切，特別是作為以光檢測為基礎(chǔ)的ToF系統(tǒng)之間、環(huán)境光干擾導(dǎo)致的干擾隱患如何破？
ToF的激光檢測，干擾是普遍存在的隱患
3D ToF是一種無掃描LIDAR（光檢測和測距）技術(shù)，通過發(fā)射納秒級的高功率光脈沖來捕獲相關(guān)場景的深度信息（通常是短距離內(nèi)）。ToF背后的基礎(chǔ)科學(xué)很簡單。該系統(tǒng)發(fā)出經(jīng)脈沖調(diào)制的光，并測量光子經(jīng)物體反射后返回到傳感器所需的時間。由于該時間和光速為已知值，因此可以計算出距離。
點云是對ToF攝像頭算出的每個像素點深度的3D可視化。ToF是一種景深測量技術(shù)，使用紅外光源向場景發(fā)射多個精確計時的光脈沖。圖像傳感器與光源共置，接收從場景中所有表面返回的光子，其次序與表面到傳感器的距離遠(yuǎn)近相同。利用已知的光速和光子返回到傳感器每個像素點所花費的時間，可以計算出每個像素所對應(yīng)的距離或深度。
很明顯，ToF檢測準(zhǔn)確的基本條件是自身產(chǎn)生發(fā)射光信號并接收該反射信號，但是如果同一場景下多個ToF應(yīng)用終端如何避免干擾？ ADI就曾做了這方面的實驗演示分析——演示設(shè)置非常簡單，設(shè)置了兩個相互垂直的ToF攝像頭，每個攝像頭會顯示參與對象在三個維度上的角度，即高度、寬度以及最重要的深度。每種顏色代表不同的距離范圍，因此如果現(xiàn)場工作人員靠近攝像頭，手上的顏色就會發(fā)生變化。同樣，如果遠(yuǎn)離攝像頭，工作人員的身體會變成不同的顏色，這意味著距離變得更遠(yuǎn)。在本演示中，ADI展示了多個ToF攝像頭面對面放置。如下圖可以看到這種其他攝像頭帶來的干擾產(chǎn)生的影響——注意到在這張圖片中工作人員的顏色改變了，不同的顏色表示不同的距離，這是由于這個ToF攝像頭的激光脈沖反射到另一個ToF攝像頭，從而顯示出失真或錯誤的距離數(shù)據(jù)。
多TOF干擾消除技術(shù)的效果對比（右邊采用干擾消除技術(shù)，左邊未采用）
如何消除干擾？從硬件到軟件全面克服挑戰(zhàn)
上圖右邊的攝像頭并未顯示這種失真，這是因為該方案中采用了一項正ADI在申請專利的算法，它能夠避開或消除所有無關(guān)的光信息，僅使用自身激光源的光信息，所以能給出正確的深度信息。另一個攝像頭沒有采用此干擾消除算法，會出現(xiàn)失真，而這個攝像頭則不會出現(xiàn)失真。
根據(jù)ADI官網(wǎng)透露，該算法來自于其內(nèi)部技術(shù)孵化器“Analog Garage”的飛行時間AGI團隊，通過與對應(yīng)用和硬件有著非常深刻的理解業(yè)務(wù)部合作的幾個月合作，借助業(yè)務(wù)部擁有廣泛的洞察力、傳遞實際客戶的反饋，以及他也提出的各種問題，從干擾、功耗到動態(tài)范圍。為了使用搭載ADI公司產(chǎn)品的傳感器和攝像頭模塊進行實驗和快速學(xué)習(xí)，該團隊深入了解了業(yè)務(wù)部的測試和調(diào)試GUI，并創(chuàng)建了在Analog Garage的ToF實驗室中進行實驗的一套工具。該工具對于團隊至關(guān)重要，使他們能夠測試構(gòu)想、模擬多攝像頭環(huán)境，并演示算法對干擾和功耗的影響。該團隊提出了應(yīng)對需求的兩種方法：避免干擾和消除干擾。在項目的最后階段將這兩種方法結(jié)合在一起，能夠同時運行比使用單一算法更多的攝像頭。由ToF AGI研發(fā)的干擾抑制算法是超越硅技，此項創(chuàng)新是業(yè)務(wù)部對應(yīng)用和器件架構(gòu)的深刻理解與Analog Garage科學(xué)家的算法專長強強聯(lián)合的產(chǎn)物。
ADI公司飛行時間AGI團隊成員（該團隊已經(jīng)轉(zhuǎn)入消費電子業(yè)務(wù)部）
當(dāng)然，干擾不僅僅來自有ToF設(shè)備之間發(fā)射光“串門”，更有可能來自無處不在的大自然光線干擾，特別是室外環(huán)境。
通常而言，ToF技術(shù)根據(jù)調(diào)制方法的不同，可以分為兩種：脈沖調(diào)制和連續(xù)波調(diào)制。兩種ToF調(diào)制方法都有各自的優(yōu)缺點，需要根據(jù)實際應(yīng)用用例綜合考量的點包括測量距離、使用系統(tǒng)的環(huán)境、精度要求、熱/功耗限制、外形大小以及電源問題等。ADI的ToF解決方案目前主要采用CCD傳感器的脈沖原理方式，CCD作為一個全局曝光器件，在室外遠(yuǎn)距離場景下，具有非常良好的性能。同時CCD作為全局曝光的傳感器，又是窄快門曝光，對于外界抗干擾性能非常強。
戶外環(huán)境下CMOS ToF系統(tǒng)(850 nm光源)與ADI的CCD ToF系統(tǒng)在識別人與三腳架的效果對比。
具體來看，ADI的ToF解決方案使用了高性能ToF CCD和集成了12位ADC、深度處理器（將來自CCD的原始模擬圖像信號處理成深度/像素數(shù)據(jù)），以及高精度時鐘發(fā)生器（為CCD和激光器生成驅(qū)動時序）的ToF模擬處理前端。ToF CCD主芯片ADDI903x系列具有很好的性能，傳感器將采集的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，運用深度計算把最終距離信息送到SOC處理，然后將數(shù)據(jù)提供給算法適配，整個過程涉及傳感器、鏡頭、發(fā)射器件、平臺、應(yīng)用等。對硬件廠商而言，需要和模組廠配合打造小型化、集成度高的產(chǎn)品來適配應(yīng)用廠商，然后適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。
總結(jié)：
到目前為止，ADI的ToF技術(shù)和產(chǎn)品不僅涵蓋了從工業(yè)、消費到汽車等，應(yīng)用的邊界拓展仍在繼續(xù)，未來更大空間、更高分辨率深度數(shù)據(jù)與強大的分類算法以及AI相結(jié)合，將會解鎖更多新的場景。但在面臨多個ToF攝像頭同時工作（技術(shù)發(fā)展路線圖預(yù)計將實現(xiàn)64個攝像頭同時近程檢測）的挑戰(zhàn)時，克服干擾帶來的檢測風(fēng)險越來越重要。解決干擾問題將涉及大量的反復(fù)試錯，而現(xiàn)有技術(shù)很可能根本無法滿足要求，ADI通過算法手段能實現(xiàn)比電路設(shè)計更快速的迭代和實驗。ADI提供可直接提升3D ToF系統(tǒng)功能的產(chǎn)品和解決方案，包括處理、激光驅(qū)動器、電源管理以及開發(fā)板和軟件/固件，這種多ToF系統(tǒng)干擾消除的算法進步將進一步幫助快速實現(xiàn)3D ToF解決方案。
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