3D ToF技術(shù)市場(chǎng)熱度高居不下，系統(tǒng)級(jí)解決方案引爆新一輪行業(yè)應(yīng)用浪潮
——ADI系統(tǒng)應(yīng)用工程經(jīng)理李佳訪談

一、前言

隨著數(shù)字成像技術(shù)的發(fā)展，相機(jī)作為一種傳感器被廣泛研究。在過去一年多的時(shí)間中，ToF技術(shù)作為拍照的亮點(diǎn)頻頻出現(xiàn)在各家的手機(jī)產(chǎn)品上。從vivo NEX到榮耀V20，從景深測(cè)量到動(dòng)作捕捉，有了ToF技術(shù)加持，智能手機(jī)能夠拍出更好的虛化照片，能夠化身為體感游戲機(jī)……作為3D深度視覺領(lǐng)域三大主流方案之一，ToF技術(shù)除了應(yīng)用在手機(jī)上之外，也在VR/AR手勢(shì)交互、汽車電子ADAS、安防監(jiān)控以及新零售等多個(gè)領(lǐng)域都開始大顯身手，應(yīng)用前景十分廣闊。

“這種技術(shù)跟3D激光傳感器原理基本類似，只不過3D激光傳感器是逐點(diǎn)掃描，而ToF相機(jī)則是同時(shí)得到整幅圖像的深度信息?！盇DI系統(tǒng)應(yīng)用工程經(jīng)理李佳在分享ADI 3D深度檢測(cè)技術(shù)時(shí)指出，“簡(jiǎn)單來說，通俗點(diǎn)解釋就是ToF發(fā)射器發(fā)射出了一整面平整的‘光墻’，這面光墻打到被測(cè)物體表面反射回來，并帶回來了深度信息?！盩oF發(fā)射器向物體發(fā)射激光，再由一個(gè)接收器接收反射回來的激光，根據(jù)激光往返的時(shí)間長(zhǎng)短和其固定的飛行速度，計(jì)算出物體表面上的這個(gè)點(diǎn)與ToF相機(jī)之間距離。圖1所示ToF技術(shù)能探測(cè)物體到照相機(jī)之間的距離。

二、需求端爆發(fā)抬高ToF市場(chǎng)熱度

隨著體感交互與控制、3D物體識(shí)別與感知、智能環(huán)境感知以及動(dòng)態(tài)地圖構(gòu)建等技術(shù)與市場(chǎng)的發(fā)展，各大應(yīng)用場(chǎng)景都開始對(duì)3D視覺與識(shí)別技術(shù)產(chǎn)生日益濃厚的興趣和日益旺盛的需求。以現(xiàn)階段體量最大的兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槔阂环矫?，隨著智能手機(jī)進(jìn)入存量時(shí)代，微創(chuàng)新對(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(chǎng)快速擴(kuò)張；另一方面，在汽車電子領(lǐng)域，以ADAS滲透率不斷提高為代表的汽車智能化趨勢(shì)也正加速演進(jìn)，而作為激光雷達(dá)、智能攝像頭等深度測(cè)距傳感器領(lǐng)域最主流的方案，ToF市場(chǎng)也正持續(xù)受益。

表1 3D深度視覺領(lǐng)域三大主流方案對(duì)比

表1為3D深度視覺領(lǐng)域三大主流方案對(duì)比?？梢钥闯?，從技術(shù)角度，相比3D深度視覺其它兩種方案而言，ToF方案在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)不言而喻。舉例來講，在畫面拍攝后計(jì)算景深時(shí)不需要進(jìn)行后處理，既可避免延遲又可節(jié)省采用強(qiáng)大后處理系統(tǒng)帶來的相關(guān)成本。而且ToF測(cè)距規(guī)模彈性大，大多數(shù)情況下只需改變光源強(qiáng)度、光學(xué)視野以及發(fā)射器脈沖頻率即可完成。由于具有不易受外界光干擾、體積小巧、響應(yīng)速度快以及識(shí)別精度高等多重優(yōu)勢(shì)，使得ToF無論是在移動(dòng)端還是車載等應(yīng)用領(lǐng)域日漸成為3D視覺的首選技術(shù)方案。

李佳全面分享了ADI所研發(fā)的突破性ToF技術(shù)方案，從工業(yè)自動(dòng)化、智能建筑到汽車應(yīng)用等，全面推進(jìn)智慧物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新的應(yīng)用開發(fā)。“ToF技術(shù)之所以受到矚目，是因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)能達(dá)到VGA影像分辨率與精準(zhǔn)度，同時(shí)又具備更低的功耗與占位空間，深度數(shù)據(jù)能有效增加影像識(shí)別度，達(dá)到對(duì)象判斷的精準(zhǔn)度?！崩罴岩徽Z道破關(guān)鍵。

三、專業(yè)與消費(fèi)市場(chǎng)相結(jié)合，助推ToF技術(shù)持續(xù)受益

從消費(fèi)級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景來看，隨著越來越多智能手機(jī)后置深度攝像功能的出現(xiàn)，加之手勢(shì)交互和環(huán)境定位感知漸成VR/AR等新型智能硬件的標(biāo)配，未來幾年消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域的ToF應(yīng)用及市場(chǎng)無疑將呈現(xiàn)出井噴態(tài)勢(shì)。

相比一些專業(yè)領(lǐng)域而言，手機(jī)后置攝像頭以及VR/AR手勢(shì)交互、環(huán)境測(cè)量等應(yīng)用，在技術(shù)層面上面臨的性能挑戰(zhàn)難度通常要更小一些，而關(guān)注重點(diǎn)也主要是在低成本、規(guī)格大小以及功耗等方面，對(duì)于測(cè)量速度、壽命和分辨率等方面的要求并不強(qiáng)烈。但對(duì)于汽車、工業(yè)等這一類的專業(yè)級(jí)場(chǎng)景來講，ToF傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅需要在精度、范圍、響應(yīng)時(shí)間、分辨率、成本、功耗以及可用封裝要求之間取得平衡。而且針對(duì)不同的實(shí)際情況中出現(xiàn)的各種不可控的因素，還需要對(duì)傳感系統(tǒng)的靈活性及抗干擾性等方面進(jìn)行一些定制化的冗余設(shè)計(jì)，比如添加一些高可靠性的濾波及抗干擾器件和模塊，并加載相關(guān)的軟件算法，從而保證系統(tǒng)有足夠的能力去應(yīng)對(duì)不同類型的突發(fā)狀況。

以汽車應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)槔壳笆袌?chǎng)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。采用了 ToF技術(shù)的倒車系統(tǒng)可同時(shí)偵測(cè)多個(gè)不同距離的行人或障礙物，當(dāng)檢測(cè)到有行人或者障礙物靠近，就算是視線死角車頂?shù)臉渲?，透過軟件處理后，能以影像顯影或聲音警示距離，進(jìn)一步輔助駕駛得知車后相關(guān)路況。

ADI公司所開發(fā)的ToF模塊結(jié)合影像傳感器和VGA ToF傳感器模塊與內(nèi)建圖像處理器方案，比傳統(tǒng)音波檢測(cè)具備更佳的檢測(cè)角度，也更能準(zhǔn)確測(cè)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(cè)等應(yīng)用提供更大范圍的碰撞偵測(cè)預(yù)防。圖2示出當(dāng)檢測(cè)到有行人或者障礙物靠近，ToF模塊能夠以影像顯示障礙物的大小和相對(duì)距離以及聲音示警。

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(cè)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(shì)識(shí)別。

實(shí)際上，ToF技術(shù)在完成物體的3D深度拍照外，同時(shí)也能為機(jī)器人帶來視覺效應(yīng)，使之能像人類一樣具有方向感。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。“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?！崩罴驯硎尽?/p>

ADI對(duì)于ToF技術(shù)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(cè)組件，采用具有 ToF 測(cè)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（虛擬圍欄）方案，可應(yīng)用在眾多機(jī)器手臂的場(chǎng)合，如圖3所示。利用ToF的深度數(shù)據(jù)，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。

四、CCD ToF 前端芯片ADDI903x，突出系統(tǒng)級(jí)ToF方案優(yōu)勢(shì)

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 前端芯片ADDI903x系列就是其ToF方案的核心器件之一，該系列產(chǎn)品可支持CCD紅外光ToF傳感器，分辨率可達(dá) 640×480。ADDI903x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)。圖4為ADDI903x應(yīng)用原理圖。

以傳感器和前端芯片ADDI903x為核心的ToF技術(shù)方案，擁有超高幀率和實(shí)時(shí)性，相比3D激光傳感器的逐點(diǎn)掃描，能快速而又準(zhǔn)確的獲取整體圖像的深度信息。在其它3D技術(shù)中，距離的計(jì)算要通過復(fù)雜算法進(jìn)行，而ToF圖像傳感器芯片可直接測(cè)量到對(duì)象的距離。另外，該方案在戶外性能方面非常出色，可支持940 nm光源，并且每個(gè)像素都有獨(dú)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(shù)據(jù)。圖5為ToF方案的完整系統(tǒng)組成。

從圖5可以看出除了前端芯片和傳感器，根據(jù)CCD的需求會(huì)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(chǎn)品?！霸搱D片是為了方便大家了解ADI公司ToF的系統(tǒng)組成，但是不建議客戶在使用時(shí)進(jìn)行太多修改，因?yàn)樵撓到y(tǒng)中的每一個(gè)模塊都是長(zhǎng)期和松下等公司磨合完成，任何一個(gè)更改都會(huì)影響到系統(tǒng)的整體性能?！崩罴烟貏e強(qiáng)調(diào)道。

這款系統(tǒng)級(jí)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(tǒng)性能。比如高解析度，在光線復(fù)雜的環(huán)境中，可以更好的區(qū)分主體與背景，同時(shí)，得力于松下針對(duì)940nm發(fā)光波段而設(shè)計(jì)的CCD架構(gòu)，可以更精確的捕捉運(yùn)動(dòng)環(huán)境中的畫面。圖6顯示了幾種技術(shù)方案成像效果的對(duì)比。

國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的TOF深度傳感解決方案提供商Pico Zense的TOF深度傳感模組利用的就是ADI公司的ToF方案，其主打產(chǎn)品DCAM710的深度圖像分辨率均可達(dá)到640×480，畫面每秒傳輸幀數(shù)30fps，該產(chǎn)品尺寸小、功耗經(jīng)濟(jì)、成像清晰度、精度均達(dá)到VGA標(biāo)準(zhǔn)，可以廣泛適用于智能機(jī)器人、AR/VR、微投影、無人機(jī)等領(lǐng)域。據(jù)李佳透露，未來ADI將與更多的公司合作，讓ToF技術(shù)更快、更精準(zhǔn)的落實(shí)在物聯(lián)網(wǎng)模塊化系統(tǒng)級(jí)軟硬件解決方案上。

五、結(jié)語

作為一種新型的視覺傳感技術(shù)，我們也越來越地明顯感受到了全球各大應(yīng)用市場(chǎng)對(duì)諸如ToF這類的3D深度視覺技術(shù)日益旺盛的需求。而對(duì)于業(yè)內(nèi)方案商們來說，無論是針對(duì)消費(fèi)級(jí)還是專業(yè)級(jí)應(yīng)用領(lǐng)域，當(dāng)前仍需解決的基礎(chǔ)性問題還很多，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公司之類的技術(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(chǎng)健康發(fā)展的前提。