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ToF技术 信号处理器 3D视觉

3D ToF技术将引爆新一轮行业应用浪潮

2019-05-30
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随着数字成像技术的发展,相机作为一种传感器被广泛研究。在过去一年多的时间中,ToF技术作为拍照的亮点频频出现在各?#19994;?#25163;机产品上。从vivo NEX到荣耀V20,从?#21543;?#27979;量到动作捕捉,有了ToF技术加持,智能机能够拍出更好的虚化照片,能够化身为体感游戏机……作为3D深度视觉领域三大主流方案之一,ToF技术除了应用在手机?#29616;?#22806;,也在VR/AR手势交互、汽车电子ADAS、安防监控以及新零售等多个领域都开始大显身手,应用前景十分广阔。

“这种技术跟3D激光传感器原理基本类似,只不过3D激光传感器是逐点扫描,而ToF相机则是同时得到整幅图像的深度信息。”ADI系统应用工程经理李佳在分享ADI 3D深度检测技术时指出,“简单来说,通俗点解释就是ToF发射器发射出了一整面平整的‘光墙’,这面光墙打到被测物体表面反射回来,并带回来了深度信息。”ToF发射器向物体发射激光,再由一个接收器接收反射回来的激光,根据激光往返的时间长短?#25512;?#22266;定的飞行速度,计算出物体表面上的这个点与ToF相机之间距离。

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图1. 使用ToF技术可以得到物体的距离

需求端爆发抬高ToF市场热度

随着体感交互与控制、3D物体识别与感知、智能环境感知以及动态地图构建等技术与市场的发展,各大应用场景都开始对3D视觉与识别技术产生日益浓厚的兴趣和日益旺盛的需求。以现阶段体量最大的两个应用领域为例:一方面,随着智能手机进入存量时代,微创新对深度摄像技术的强烈需求,加之智能手机交互方式的不断变化正促进全球ToF市场快速扩张;另一方面,在汽车电子领域,以ADAS渗透率不断提高为代表的汽车智能化趋势也正加速演进,而作为激光雷达、智能摄像头等深度测距传感器领域最主流的方案,ToF市场也正?#20013;?#21463;益。

技术方面,相比3D深度视觉其它两种方案而言,ADI ToF方案在实际应用中的优势不言而喻。举例来讲,在画面拍摄后计算?#21543;?#26102;不需要进行后处理,既可避免延迟又可节省采用强大后处理系统带来的相关成本。而且ToF测距规模弹?#28304;螅?#22823;多数情况?#36718;?#38656;改变光源强度、光学视野以及发射器脉冲频?#22987;?#21487;完成。由于具有不?#36164;?#22806;界光干扰、体积小巧、响应速度快以及识别精度高等多重优势,使得ToF无论是在移动端还是车载等应用领域日渐成为3D视觉的首选技术方案。

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图2. 3D视觉主流方案对比

李佳还全面分享了ADI所研发的突破性ToF技术方案,从工业自动化、智能建筑到汽车应用等,全面推进智慧物联网创新的应用开发。“ADI公司的ToF技术之所以受到瞩目,是因为这项技术能达到VGA影像分辨?#35270;?#31934;准度,同时又具备更低的功耗与占位空间,深度数据能?#34892;?#22686;加影像识别度,达到对象判断的精准度。”李佳一语道破关键。

专业与消费市场相结合,助推ToF技术?#20013;?#21463;益

从消费级应用场景来看,随着越来越多智能手机后置深度摄像功能的出现,加之手势交互和环境定位感知渐成VR/AR等新型智能硬件的标配,未来几年消费?#35835;?#22495;的ToF应用及市场无疑将呈现出井喷态势。

相比一些专业领域而言,手机后置摄像头以及VR/AR手势交互、环境测量等应用,在技术层面上面临的?#38405;?#25361;战?#35759;?#36890;常要更小一些,而关注重点也主要是在低成本、规格大小以及功耗等方面,?#26434;?#27979;量速度、寿命和分辨率等方面的要求并不强烈。但?#26434;?#27773;车、工业等这一类的专业级场景来讲,ToF传感系?#36710;?#35774;计不仅需要在精度、?#27573;А?#21709;应时间、分辨率、成本、功耗以及可用封装要求之间取得平衡。而且针对不同的实?#26159;?#20917;中出现的各种不可控的因素,还需要?#28304;?#24863;系?#36710;?#28789;活性及抗干扰性等方面进行一些定制化的冗余设计,?#28909;?#28155;加一些高可靠性的滤波及抗干扰器件和模块,并加载相关的软件算法,从而保证系统有足够的能力去应对不同类型的突发状况。

以汽车应用领域为例,目前市场上的倒车雷达只能感应是否有障碍物,甚至一些?#21543;?#26448;”矮小的障碍物达不到感应?#27573;?#30340;要求。采用了ToF技术的倒车系统可同时侦测多个不同距离的行人或障碍物,当检测到?#34892;?#20154;或者障碍物靠近,就算是视线死角车顶的树枝,透过软件处理后,能?#26434;?#20687;?#26434;?#25110;声音警示距离,进一步辅助驾驶得知车后相关路况。

ADI公司所开发的ToF模块结合影像传感器和VGA ToF传感器模块与内建图像处理器方案,比传统音波检测具备更?#35757;?#26816;测?#23884;齲?#20063;更能?#26082;?#27979;?#35838;?#20307;跟汽车的距离。因此可为汽车倒车系?#22330;?#24320;门防护系?#22330;?#20572;车辅助系统及盲点侦测等应用提供更大?#27573;?#30340;碰撞侦测预防。

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图3. 当检测到?#34892;?#20154;或者障碍物靠近,ADI公司的ToF模块能够?#26434;?#20687;显示障碍物的大小和相对距离以?#21543;?#38899;示警。

同时在智能座舱领域,ADI?#22266;?#20379;一系列先进的人机交互(HMI)?#22270;?#39542;员状态检测先进技术方案,其中采用了业界领先的车规级VGA分辨率ToF技术的3D人脸识别具有抗强光、高分辨率的特点,可实现人脸识别和复杂的手势识别。

实际上,ToF技术在完成物体的3D深度拍照外,同时也能为机器人带来视觉效应,使之能像人类一样具有方向感。在人类与机器人的合作问题上,安全?#26434;?#36828;是要考虑的首要问题,尤其是当机器人身处较为拥挤的工作环境中,它们必须能辨认人与机械以及机械的动作,并作出迅速的反应以避免受伤。“自动化工厂中的各类机器人都需要自主避障,如果以激光雷达来解决,成本则需要增加数万元,用双摄像头方案?#20013;?#35201;大量的运算和双摄像头精准位置的调教,而ToF则成为解决上述难题的极具性价比的最佳选择。”李佳表示。

ADI?#26434;赥oF技术则提供了从硬件芯片到?#26639;接?#30828;件芯片上的算法等多种灵活的方案,其ToF电子围栏方案能设立虚拟安全防护墙,借ToF信号处理器ADDI9033搭配红外光感测组件,采用具有ToF测距技术的组件,可应用于工业自动化中安全防护的Virtual Wall (虚拟围栏)方案。利用ToF的深度数据,ADI的方案还可?#26434;行?#22320;增加影像的辨识度,达到对象判断的精准度,提供以往机器所没有的机器视觉,避免了激光雷达与双摄像头方案的缺陷。

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图4.ADI 公司的ToF电子围栏这项安全防护方案可应用在众多机器手臂的场合

CCD ToF 前端芯片ADDI903x,突出系统级ToF方案优势

每一款解决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,该系列产品可支持CCD红外光ToF传感器,分辨率可达 640x480。ADDI903x可将影像信号转换为数?#20013;?#21495;,并提供高精确度的脉波时间控制器,闭回路设计,让激光二极管控制的脉波宽度更?#26082;罰?#36827;而可以得到更精准的深度数据。

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图5.ADI公司CCD ToF 前端芯片ADDI903x提供的功能

?#28304;?#24863;器和前端芯片ADDI903x 为核心的ToF技术方案,拥有超高帧率和实时性,相比3D激光传感器的逐点扫描,能快速而又?#26082;?#30340;获取整体图像的深度信息。在其它3D技术中,距离的计算要通过复杂算法进行,而ToF图像传感器芯片可直接测量到对象的距离。另外,该方案在户外?#38405;?#26041;面非常出色,可支持940 nm光源,并且每个像素都有独特的背景照明抑制电路。?#35789;?#26377;两倍的照明峰值功率,该方案也能提供未被干扰的深度数据。

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图6. ADI公司ToF方案的完整系统组成

从上图可以看出除了前端芯片和传感器,根据CCD的需求会需要比较多的光电器件,ADI的ToF方案周边的这些器件都是ADI公司的产品。?#26696;?#22270;片是为了方便大家了解ADI公司ToF的系统组成,但是不建议客户在使用时进行太多修?#27169;?#22240;为该系统中的每一个模块都是长期和松下等公司磨合完成,任何一个更改都会影响到系?#36710;?#25972;体?#38405;堋!?#26446;佳特别强调道。

这款系统级别的ToF解决方案与CMOS解决方案相比,在同样的尺寸或同样的成本,ToF?#21830;?#20379;更高的系统?#38405;堋1热?#39640;解析度,在光线复杂的环境中,可以更好的区?#31181;?#20307;与背景,同时,得力于松下针对940nm发光波段而设计的CCD架构,可以更精确的捕捉运动环境中的画面。

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图7.ToF CCD?#21830;?#20379;卓越的室外?#38405;?/span>

国内领先的TOF深度传感解决方案提供商Pico Zense的TOF深度传感模组利用的就是ADI公司的ToF方案,其主打产品DCAM710的深度图像分辨?#31034;?#21487;达到640 x 480,画面每秒传输帧数30FPS,该产品尺寸小、功耗经济、成像清晰度、精度均达到VGA标准,可以广泛适用于智能机器人、 AR/VR、 微投影、无人机等领域。据李佳透露,未来ADI将与更多的公司合作,让ToF 技术更快、更精准的落实在物联网模块化系统?#24230;?#30828;件解决方案上。

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图8.ADI公司ToF方案产品化计划图

本文结语

作为一种新型的视觉传感技术,我们也越来越地明显感受到了全球各大应用市场对诸如ToF这类的3D深度视觉技术日益旺盛的需求。而?#26434;?#19994;内方案商们来说,无论是针对消费级还是专业级应用领域,当前仍需解决的基础性问题还很多,未来如何通过技术手段去真正实现成本、功耗、体积、速度、寿命、稳定性以及抗干扰能力等多方面的平衡,达到一个相?#38405;?#21069;来说更为优化的水平,进而实现ToF视觉传感技术实际应用中可靠性的成?#30701;?#21319;,是诸如ADI公司之类的技术方案提供商应当考虑的重点,也是ToF技术普及乃至整个市场健康发展的前提。

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