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[導(dǎo)讀]因?yàn)樘厥庠?，蘋果今年春季沒有線下發(fā)布會(huì)，他們準(zhǔn)備好了一系列新品從3月18日起陸續(xù)出現(xiàn)在官網(wǎng)。3月18日是“電腦類新品日”，當(dāng)晚便更新了三款硬件，Macmini和MacBookAir算是常規(guī)操作，升級(jí)芯片加大硬盤。而iPadPro則是一次相對(duì)幅度較大的改變，它的目標(biāo)，是取代電腦（...

因?yàn)樘厥庠?，蘋果今年春季沒有線下發(fā)布會(huì)，他們準(zhǔn)備好了一系列新品從3月18日起陸續(xù)出現(xiàn)在官網(wǎng)。3月18日是“電腦類新品日”，當(dāng)晚便更新了三款硬件，Mac mini和MacBook Air算是常規(guī)操作，升級(jí)芯片加大硬盤。而iPad Pro則是一次相對(duì)幅度較大的改變，它的目標(biāo)，是取代電腦（Your next computer is not a computer）。2020款iPad Pro正值第一代iPad發(fā)布10周年，10年之前，喬布斯坐在沙發(fā)上，拿著iPad告訴人們，手機(jī)與電腦中間，仍然可以有一類產(chǎn)品存在的必要，而今天他存在的目標(biāo)竟然是要取代電腦。

iPad Pro最吸引人的并不是因?yàn)榧尤肓恕半p攝”，而是首次引入了“激光雷達(dá)”組件，采用dToF技術(shù)，這一發(fā)布把本就很火熱的dToF技術(shù)推向了整個(gè)行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。本文將介紹ToF系列相關(guān)的技術(shù)及應(yīng)用。

ToF技術(shù)解碼

ToF是Time of Flight的縮寫，直譯為飛行時(shí)間，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脈沖，通過特定傳感器接收待測(cè)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(cè)物體的3D深度信息。這種調(diào)制方式對(duì)發(fā)射器和接收器的要求較高，光速那么快，對(duì)于時(shí)間的測(cè)量有極高的精度要求。

在實(shí)際應(yīng)用中，通常調(diào)制成脈沖波（一般是正弦波），當(dāng)遇到障礙物發(fā)生漫反射，再通過特制的CMOS傳感器接收反射的正弦波，這時(shí)波形已經(jīng)產(chǎn)生了相位偏移，通過相位偏移可以計(jì)算物體到深度相機(jī)的距離。

原理不復(fù)雜，但要實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)量精度，并將發(fā)射接收模塊小型化并不容易。由于測(cè)量光的飛行時(shí)間需要非常高的頻率和精度，早期的ToF設(shè)備在體積上一直存在問題，成本也高，所以多用于工業(yè)領(lǐng)域（比如自動(dòng)駕駛用的激光雷達(dá)90%都是采用ToF技術(shù)）。ToF的小型化極大依賴于近年來集成電路和傳感器技術(shù)的突破，使得在CMOS芯片上對(duì)光脈沖相位的測(cè)量逐漸變得可行。目前最小的ToF模塊尺寸只有8*12mm（包括傳感器，鏡頭IR發(fā)射器及電路）。

iToF or dToF?

ToF現(xiàn)有的技術(shù)路線中有iToF、dToF、pToF（其實(shí)也屬于dToF）、cwToF（其實(shí)也屬于iToF）等方案。dToF，direct Time of Flight, 顧名思義就是直接測(cè)量飛行時(shí)間。ToF最初就是希望能直接測(cè)量時(shí)間來對(duì)應(yīng)距離，但能達(dá)到ps級(jí)分辨率的測(cè)量系統(tǒng)成熟的較慢，dToF大多依托SPAD TDC。

SPAD Single Photon Avalanche Diode，單光子雪崩二極管，這是一種能在ps級(jí)的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生響應(yīng)電流的器件，其工作原理是采用反向偏壓的光電二極管，使其工作在超過擊穿電壓而尚未擊穿的很小的一個(gè)電壓范圍內(nèi)，此時(shí)的二極管處在非常敏感的工作區(qū)間，因此只要有微弱的光信號(hào)即可引發(fā)其產(chǎn)生雪崩電流，相應(yīng)速度極快。但SPAD工藝非常復(fù)雜，世界上能做的廠家較少，集成難度高，而SPAD的初衷并不是用來測(cè)距，而是用來記錄一些超快實(shí)驗(yàn)的過程。這也是為什么先前一直沒有廠家將dToF方案塞進(jìn)手機(jī)平板產(chǎn)品中的一大原因，不過現(xiàn)在逐漸有廠家開始將dToF技術(shù)引入到掃地機(jī)器人這樣的產(chǎn)品中，不過模組體積要比iPad Pro上大很多。

TDC，Ttime Digtal Converter，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，通過與發(fā)射端的時(shí)間同步，接收到的光信號(hào)能夠在ps級(jí)的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生電流并被TDC探測(cè)記錄，經(jīng)過N次的發(fā)射與接收，TDC能夠記錄n次（n

隨著陣列SPAD的出現(xiàn)，以及陣列數(shù)的迅速提升，相信dtof很快會(huì)在未來取代itof方案，因?yàn)閐tof在很多關(guān)鍵性能方面對(duì)itof都有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但其技術(shù)壁壘比較高。iToF，indirect Time of Flight，顧名思義是間接測(cè)量時(shí)間的一種方法，大部分的間接測(cè)量方案都是采用了測(cè)相位偏移的方法，即發(fā)射的正弦波與接收的正弦波之間的相位差，然后間接計(jì)算得到飛行時(shí)間，最后再得到距離。常見的有四步相移法和兩步相移法等。因?yàn)閕ToF輸出一幀深度圖像通常需要采集多個(gè)相位的圖像數(shù)據(jù)來計(jì)算相位差，因此iToF相對(duì)整體功耗比較高，而且提高深度圖的幀率會(huì)比較困難。為了解決這些問題，iToF采用增加脈沖瞬時(shí)功率、多像素融合Binning的方式來提高信噪比，從而降低功耗，增大探測(cè)距離，不過iTof的優(yōu)勢(shì)是因?yàn)閟ensor 的pixel相對(duì)較?。梢宰龅?um，甚至3.5um）,所以分辨率可以做高。

pToF, pulse Time of Flight，脈沖飛行時(shí)間。pToF的核心原理是對(duì)探測(cè)物體打一束時(shí)間極短的激光，通過直接測(cè)量激光發(fā)射、打到探測(cè)物體再返回到探測(cè)器的飛行時(shí)間，來反推探測(cè)器到被測(cè)物的距離。由于光的飛行速度極快，因此該方案需要一個(gè)非常精細(xì)的時(shí)鐘電路（通常是ps級(jí)）和脈寬極窄的激光發(fā)射電路（通常是ns級(jí)），因此開發(fā)難度和門檻較高，但一般采用pToF原理的激光雷達(dá)通常都能達(dá)到百米級(jí)別的探測(cè)距離。

3D深度技術(shù)

ToF只是3D深度技術(shù)中的一種，目前主流的3D深度測(cè)量方案有結(jié)構(gòu)光、ToF、雙目視覺三種。結(jié)構(gòu)光（Structured Light），結(jié)構(gòu)光是通過紅外激光器，將具有一定結(jié)構(gòu)特征的光線投射到被測(cè)物體上，再由專門的紅外攝像頭進(jìn)行采集反射的結(jié)構(gòu)光圖案，根據(jù)物體造成的光信號(hào)的變化來計(jì)算物體的位置和深度等信息，進(jìn)而復(fù)原整個(gè)三維空間。（蘋果iPhone X用的就是這個(gè)方案）

ToF（Time of Flight），TOF就是通過紅外發(fā)射器發(fā)射調(diào)制過的光脈沖，遇到物體反射后，用接收器接收反射回來的光脈沖，并根據(jù)光脈沖的往返時(shí)間計(jì)算與物體之間的距離。雙目成像（Stereo System），利用雙攝像頭拍攝物體，再通過三角原理計(jì)算物體距離。

	結(jié)構(gòu)光	ToF	雙目
基礎(chǔ)原理	散斑結(jié)構(gòu)光	飛行時(shí)間	視差算法、三角測(cè)量
光源	15000個(gè)散斑	均勻面光源	無
識(shí)別距離	短（幾米，受光斑圖案影響）	中等（幾米到幾十米，受光源強(qiáng)度影響）	依賴于兩顆攝像頭的視距和間距
響應(yīng)時(shí)間	慢	快	中
適用場(chǎng)景	全天候	全天候	暗光、無特征點(diǎn)無法使用
低光環(huán)境表現(xiàn)	優(yōu)	優(yōu)	差
高光環(huán)境變現(xiàn)	差	中等	良好
精度	高	中	低
分辨率	中	低	中
材料成本	高	中	低
軟件復(fù)雜度	中	低	高
功耗	中	中	低
缺點(diǎn)	易受光照影響，強(qiáng)光不適用	平面分辨率低	昏暗環(huán)境、特征不明顯的場(chǎng)合不適用
應(yīng)用場(chǎng)景	人臉識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別	3D建模、AR、體感	背景虛化
代表廠家	iPhone X、PrimeSense、Intel	Infineon、Microsoft、TI、ST	Leap MoTion、Intel

ToF技術(shù)的應(yīng)用

TOF技術(shù)具有豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，在汽車電子、工業(yè)、安防、AR/VR、消費(fèi)電子等諸多領(lǐng)域都有應(yīng)用。

汽車：ToF技術(shù)可以用于感知傳感器（比如激光雷達(dá)），對(duì)行車環(huán)境進(jìn)行感知，從而獲取環(huán)境信息以增加安全性等，用于自動(dòng)駕駛、防撞自動(dòng)剎車等等。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)：利用深度視覺識(shí)別外界環(huán)境、規(guī)劃路徑、實(shí)現(xiàn)避障工作等等；還可以進(jìn)行工業(yè)定位、工業(yè)引導(dǎo)和體積預(yù)估等等。

安防監(jiān)控：利用景深進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計(jì)（People counting，俗稱“數(shù)人頭”），確定進(jìn)入某區(qū)域的人數(shù)；通過對(duì)人流或復(fù)雜交通系統(tǒng)的人數(shù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)安防系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析設(shè)計(jì)；以及敏感地區(qū)的檢測(cè)對(duì)象監(jiān)視等等。

AR/VR：ToF提供了一種實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)方影像，可以非常簡單地用來記錄人體動(dòng)作，識(shí)別表情，制作影視特效等等。比如Xbox Kinect二代就用了這種技術(shù)。

手機(jī)等消費(fèi)電子：這是目前應(yīng)用最火熱的領(lǐng)域，蘋果（iPad Pro）、三星（S10 5G版、Note 10 5G版）、華為（P40 Pro、Mate 30 Pro、P30 Pro等等）、OV（R17 Pro、NEX雙屏版）等各大手機(jī)廠商均推出了ToF深度相機(jī)。

硬件電路設(shè)計(jì)之“熱得發(fā)紫的ToF簡介”