飛行時(shí)間（ToF）技術(shù)方案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)，在人臉識(shí)別/支付、智能手機(jī)攝像頭、自動(dòng)駕駛距離感知、工業(yè)人機(jī)協(xié)同距離監(jiān)測(cè)、物流機(jī)器人導(dǎo)航等應(yīng)用中呈現(xiàn)井噴態(tài)勢(shì)。然而，令人詫異的是，一向引領(lǐng)技術(shù)風(fēng)向的蘋果公司，卻直到2020年3月才首次接納ToF技術(shù)。
在ToF的兩種實(shí)現(xiàn)技術(shù)中，蘋果放棄了間接測(cè)距iToF (indirect ToF)，選擇了新興的直接測(cè)距dToF (direct ToF)，并連續(xù)將基于dToF的激光雷達(dá)掃描儀用于iPad Pro、iPhone 12 Pro及以上的高端機(jī)型中。為什么蘋果作此選擇？此番高調(diào)站隊(duì)會(huì)吸引產(chǎn)業(yè)鏈重演AirPods大型“真香”嗎？我們?cè)囍鴱腡oF技術(shù)中堅(jiān)力量ADI公司的方案入手，探討下市場(chǎng)的未來(lái)吧。
ToF漸成深度傳感首選方案
3D視覺主流方案主要包括ToF、雙目視覺和結(jié)構(gòu)光。其中，ToF方案是通過使用調(diào)制光源（例如激光或LED）主動(dòng)照亮物體，并用對(duì)激光波長(zhǎng)敏感的圖像傳感器捕捉反射光，以此測(cè)量出目標(biāo)距離。通俗點(diǎn)說，就是ToF發(fā)射器發(fā)射出一整面平整的‘光墻’，這面光墻打到被測(cè)物體表面反射回來(lái)，并帶回來(lái)了被測(cè)物體的深度信息。
圖. 簡(jiǎn)單的飛行時(shí)間測(cè)量示意圖
對(duì)比雙目和結(jié)構(gòu)光方案，ToF最大的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)距，測(cè)量范圍可近可遠(yuǎn)，一般在100m以內(nèi)；測(cè)量精度往往不隨距離改變而變化，基本都能夠保持在厘米級(jí)別；不受光照變化和物體紋理影響，室外空間同樣適用。因此在包含大范圍運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景下，ToF適用度非常高。
圖. 3D視覺主流方案對(duì)比
憑借不易受外界光干擾、可適用于多種環(huán)境下工作，且體積小巧、響應(yīng)速度快、識(shí)別精度高、動(dòng)態(tài)感測(cè)范圍更寬等多重優(yōu)勢(shì)，ToF 日漸成為深度傳感的首選技術(shù)方案。從ADI的ToF方案的發(fā)展，也能窺見該技術(shù)的邊界在不斷地拓展。2014年，ADI為國(guó)外知名AR眼鏡定制ToF方案，成功落地并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和3D重建功能；2016-2017年，ADI ToF技術(shù)用于車內(nèi)手勢(shì)識(shí)別；2018年，ADI ToF技術(shù)開始與品牌手機(jī)合作并成功批量上市，進(jìn)入國(guó)民級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景……
物流、質(zhì)檢、導(dǎo)航、機(jī)器人、人臉識(shí)別、安保、監(jiān)控、安全、醫(yī)療健康和駕駛員監(jiān)控等等，高分辨率深度數(shù)據(jù)與強(qiáng)大的分類算法以及AI相結(jié)合的巨大推力下，3D深度傳感ToF技術(shù)正在解鎖更多新的應(yīng)用方向。
圖. ADI ToF方案應(yīng)用發(fā)展時(shí)間軸
蘋果站隊(duì)ToF技術(shù)路線
目前，業(yè)界最常用的ToF技術(shù)是連續(xù)波（CW）方法和脈沖方法。通俗地說，連續(xù)波方法是間接的iToF，通常是采用周期調(diào)制信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)發(fā)光，然后對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行零差解調(diào)以測(cè)量反射光的相移，間接計(jì)算出光的飛行時(shí)間，從而確定物體距發(fā)射端的距離。
脈沖方法即直接測(cè)量光飛行時(shí)間的dToF，通常是由光源發(fā)出一系列N 個(gè)激光短脈沖，這些脈沖被反射回帶有電子快門的傳感器，其飛行時(shí)間可被記錄下，從而可確定三維物體與發(fā)射端的距離。
對(duì)比而言，脈沖ToF技術(shù)系統(tǒng)具有如下三大優(yōu)勢(shì)，這也是蘋果站隊(duì)脈沖式ToF、并寄望于藉此布局VR/AR的主因之一。一是由于通常依賴于在很短的時(shí)間窗口內(nèi)發(fā)出高能光脈沖，便于設(shè)計(jì)魯棒性強(qiáng)的系統(tǒng)，更適用于戶外；且曝光時(shí)間越短，運(yùn)動(dòng)模糊的效應(yīng)越小。二是信號(hào)占空比通常比同等水平的連續(xù)波系統(tǒng)要低得多，脈沖ToF對(duì)于長(zhǎng)期工作的應(yīng)用，可以降低系統(tǒng)的總功耗，且通過將脈沖群放置在與其他系統(tǒng)不同的幀位置，可避免來(lái)自其他脈沖ToF系統(tǒng)的干擾。三是因脈沖時(shí)序和寬度不需要一樣，所以可以采用不同的時(shí)序方案，支持實(shí)現(xiàn)更寬的動(dòng)態(tài)范圍和自動(dòng)曝光等功能。
但為了精確同步光脈沖，脈沖ToF系統(tǒng)每秒需要對(duì)數(shù)百萬(wàn)個(gè)像素執(zhí)行計(jì)算，并根據(jù)工作環(huán)境及時(shí)調(diào)整，這對(duì)混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用而言極具挑戰(zhàn)；從技術(shù)成熟度和應(yīng)用導(dǎo)入來(lái)看，成本仍相對(duì)較高——這也是脈沖ToF方案目前未能在消費(fèi)電子市場(chǎng)叱詫風(fēng)云的主要原因。
上游技術(shù)力量推動(dòng)ToF蓄勢(shì)待發(fā)
ADI是為數(shù)不多擁有技術(shù)專長(zhǎng)、可提供兼具高性能和成本效益的ToF解決方案的公司之一。ADI的脈沖ToF CCD系統(tǒng)，使用高性能ToF CCD和集成了12位ADC、深度處理器（將來(lái)自CCD的原始模擬圖像信號(hào)處理成深度/像素?cái)?shù)據(jù)），以及高精度時(shí)鐘發(fā)生器（為CCD和激光器生成驅(qū)動(dòng)時(shí)序）的TOF模擬處理前端ADDI903x。
圖. ADI ToF系統(tǒng)功能框圖
ADI的ToF系統(tǒng)相比其它方案具備以下優(yōu)點(diǎn)：
· 使用了分辨率為640×480的ToF圖像傳感器，比市面上大部分ToF解決方案的分辨率高4倍。
· 使用了對(duì)940nm波長(zhǎng)高度靈敏的傳感器，能夠在室外環(huán)境或具有強(qiáng)環(huán)境光的區(qū)域采集到更多的有效信號(hào)。
· 深度處理器采用偽隨機(jī)化算法和特殊的圖像處理功能，可以消除多機(jī)干擾，因此可以在同個(gè)環(huán)境中使用多個(gè)ADI的ToF系統(tǒng)。
如下圖示例，在戶外使用三個(gè)不同的深度測(cè)量系統(tǒng)來(lái)測(cè)量距離。值得注意的是，使用850 nm光源的CMOS ToF系統(tǒng)很難分辨出人與三腳架，而ADI的CCD ToF系統(tǒng)卻能夠清晰地分辨出兩者。
圖. 戶外圖像的深度圖比較
可以看到，當(dāng)下的ToF市場(chǎng)中，ADI等上游技術(shù)力量著力提高元器件性能，蘋果等終端廠商正竭力探索創(chuàng)新應(yīng)用。未來(lái)，隨著雙方形成合力，脈沖ToF技術(shù)已隱現(xiàn)復(fù)刻AirPods發(fā)展歷程的潛質(zhì)。屆時(shí)，ToF技術(shù)將真正實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的成本、功耗、穩(wěn)定性等多方面平衡，進(jìn)一步帶動(dòng)其在3D識(shí)別、VR/AR、自動(dòng)駕駛、工業(yè)機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)等細(xì)分市場(chǎng)的快速導(dǎo)入與廣泛應(yīng)用，最終整個(gè)ToF生態(tài)圈都將由此獲得真正受益。
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