游戲玩家在游戲設(shè)備前徒手對(duì)空做著各種動(dòng)作，輕松扮演各種虛擬世界的游戲角色；各色機(jī)器人在各種場(chǎng)景中自主導(dǎo)航，輕松避障快速移動(dòng)實(shí)現(xiàn)自主清掃、快遞或巡視等多種特定目標(biāo)任務(wù)；卡車司機(jī)在午后昏昏欲睡之際，在駕駛艙不斷傳來(lái)警示聲音下停下車來(lái)休息以保安全……這些都是在我們生活中越來(lái)越多的現(xiàn)實(shí)科技應(yīng)用場(chǎng)景，而ToF（飛行時(shí)間法）正在成為這些眾多創(chuàng)新應(yīng)用的關(guān)鍵賦能科技之一。
ToF從最初手機(jī)攝像端的潮流應(yīng)用迅速走進(jìn)大眾視野，并在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域初顯崢嶸。據(jù)IHS Markit報(bào)告，基于ToF方案的多方面優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)2022年ToF市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到15億美元，占3D傳感市場(chǎng)的50%左右。ADI工業(yè)市場(chǎng)經(jīng)理李佳在近日面對(duì)媒體采訪時(shí)也認(rèn)為，作為3D深度視覺(jué)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(kāi)始大顯身手，有望推動(dòng)新一波3D智能感知應(yīng)用創(chuàng)新。
ADI工業(yè)市場(chǎng)經(jīng)理李佳
生態(tài)蓬勃發(fā)展，推動(dòng)ToF技術(shù)新一波3D智能感知應(yīng)用
眾所知周，ToF在與雙目和結(jié)構(gòu)光對(duì)比中，最大的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)距，它的深度計(jì)算精度往往不隨距離改變而變化，而且基本都能夠保持在厘米級(jí)別。因此在包含大范圍運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景下，ToF適用度非常高。2010年之前，ToF技術(shù)多應(yīng)用于宇宙測(cè)量、高精顯微鏡等科研領(lǐng)域，隨著發(fā)光元器件性能的大幅提高，自動(dòng)駕駛、VR/AR、工業(yè)機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)逐漸興起，進(jìn)一步帶動(dòng)了ToF應(yīng)用市場(chǎng)發(fā)展。“就目前而言，ToF匹配度最高的應(yīng)用場(chǎng)景包括自動(dòng)駕駛中行車環(huán)境的測(cè)距、感知，工業(yè)領(lǐng)域人機(jī)協(xié)同安全距離的監(jiān)測(cè)，機(jī)器視覺(jué)，物流行業(yè)的體積、計(jì)算，機(jī)器人的導(dǎo)航等等，都充分了利用了ToF傳感器在精準(zhǔn)定位和距離測(cè)算上的優(yōu)勢(shì)。”李佳指出。
脈沖式ToF是其中一種景深測(cè)量技術(shù)，為了精確同步光脈沖，每秒需要對(duì)數(shù)百萬(wàn)個(gè)像素執(zhí)行這些計(jì)算，并且還要根據(jù)工作條件進(jìn)行調(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)，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。在2014年，ADI開(kāi)始為國(guó)外某知名AR眼鏡定制ToF技術(shù)，該產(chǎn)品成功落地并實(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(kāi)始與國(guó)內(nèi)某品牌手機(jī)合作并成功批量上市……“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(fèi)到汽車等，應(yīng)用的邊界拓展仍在繼續(xù)，未來(lái)更大空間、更高分辨率深度數(shù)據(jù)與強(qiáng)大的分類算法以及AI相結(jié)合，將會(huì)解鎖更多新的場(chǎng)景。”李佳表示。
ADI ToF方案應(yīng)用發(fā)展時(shí)間軸
在過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)，ToF應(yīng)用逐漸呈現(xiàn)出加速落地的態(tài)勢(shì)。如SLAM（同步定位與建圖）對(duì)在機(jī)器人的自主定位和導(dǎo)航中開(kāi)始發(fā)揮主動(dòng)作用，有效推動(dòng)了人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)；ADI所開(kāi)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，為汽車倒車系統(tǒng)、開(kāi)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。 “要更進(jìn)一步提升ToF技術(shù)的行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用，始終需要上中下游產(chǎn)業(yè)鏈伙伴們一起配合，包括光學(xué)、電、芯片級(jí)、電路級(jí)以及模組廠等，甚至還有一些應(yīng)用需要專業(yè)團(tuán)隊(duì)來(lái)開(kāi)發(fā)、適配整個(gè)方案。” 李佳指出。據(jù)悉，ADI已經(jīng)和Arrow推出了3D飛行時(shí)間開(kāi)發(fā)套件，并與遠(yuǎn)景智能等多家軟件方案公司合作推出滿足豐富應(yīng)用場(chǎng)景的完整解決方案。
ADI ToF產(chǎn)業(yè)鏈
ADI ToF模擬前端核心芯片解析，構(gòu)筑精確測(cè)量硬件平臺(tái)
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(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用用例綜合考量的點(diǎn)包括測(cè)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(wèn)題等。據(jù)李佳介紹，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(gè)全局曝光器件，在室外遠(yuǎn)距離場(chǎng)景下，具有非常良好的性能。同時(shí)CCD作為全局曝光的傳感器，又是窄快門曝光，對(duì)于外界抗干擾性能非常強(qiáng)。
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(shí)別人與三腳架的效果對(duì)比。
具體來(lái)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(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。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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，運(yùn)用深度計(jì)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(gè)過(guò)程涉及傳感器、鏡頭、發(fā)射器件、平臺(tái)、應(yīng)用等。對(duì)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(lái)適配應(yīng)用廠商，然后適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。
ADI CCD ToF 前端芯片ADDI903x提供的功能
由于ADI ToF系統(tǒng)級(jí)解決方案使用了分辨率為640×480的ToF圖像傳感器，因此其分辨率比市面上大部分其他ToF解決方案的分辨率高4倍。同時(shí)，這款系統(tǒng)級(jí)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下，可提供更高的系統(tǒng)性能。例如高解析度，在光線復(fù)雜的環(huán)境中，可以更好的區(qū)分主體與背景。得益于針對(duì)940nm發(fā)光波段而設(shè)計(jì)的CCD架構(gòu)，ADI ToF解決方案也可以更精確的捕捉運(yùn)動(dòng)環(huán)境中的畫(huà)面。
除了前端芯片和傳感器外，根據(jù)CCD的需求也會(huì)需要比較多的光電器件，而ADI的ToF解決方案周邊器件均是ADI公司的產(chǎn)品。“ADI ToF系統(tǒng)級(jí)解決方案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ADI長(zhǎng)期和合作伙伴磨合完成已達(dá)到的系統(tǒng)最佳整體性能狀態(tài)。”李佳特別強(qiáng)調(diào)道。
ADI ToF方案的完整系統(tǒng)組成
尋找并解決潛在技術(shù)痛點(diǎn)，探索ToF應(yīng)用更廣路徑
越來(lái)越多的應(yīng)用場(chǎng)景為ToF打開(kāi)了一個(gè)又一個(gè)風(fēng)口，但相關(guān)的挑戰(zhàn)也可能因而出現(xiàn)，例如同一場(chǎng)景下多個(gè)ToF應(yīng)用終端如何避免干擾，特別是對(duì)于汽車、工業(yè)等這一類的專業(yè)級(jí)場(chǎng)景，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，而且需要針對(duì)不同的實(shí)際情況中出現(xiàn)的各種不可控的因素，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。
試想如果多個(gè)自主式機(jī)器人在同一大型倉(cāng)庫(kù)里分揀貨物，或者兩輛自動(dòng)駕駛的汽車同時(shí)接近交叉路口，ToF攝像頭無(wú)法消除相互光源的干擾，那么使用ToF技術(shù)進(jìn)行精確深度測(cè)量的應(yīng)用范圍將會(huì)嚴(yán)重受限（ADI發(fā)展路線圖預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)64個(gè)攝像頭同時(shí)近程檢測(cè)的場(chǎng)景）。就算是在消費(fèi)端，隨著各種應(yīng)用增多，設(shè)備間的干擾也將是實(shí)實(shí)在在的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。因此，ADI認(rèn)為ToF系統(tǒng)中的防干擾或消除干擾能力將會(huì)越來(lái)越重要。據(jù)透露，ADI目前采用了一項(xiàng)正在申請(qǐng)專利的算法，它能夠避開(kāi)或消除所有無(wú)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。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 ToF系統(tǒng)。
干擾抑制算法
除此之外，隨著3D算法進(jìn)一步成熟，數(shù)據(jù)分析將被用來(lái)收集大量關(guān)于人們行為的有效信息，這種技術(shù)可能最先應(yīng)用于樓宇控制應(yīng)用，例如門禁系統(tǒng)。垂直安裝的傳感器增加了深度信息，這意味著可以非常準(zhǔn)確地計(jì)算人數(shù)。另一個(gè)用例是智能自動(dòng)門開(kāi)啟，它可以對(duì)人進(jìn)行區(qū)分，只有在檢測(cè)到真人時(shí)才開(kāi)啟。ADI目前也正在開(kāi)發(fā)人員計(jì)數(shù)和真人區(qū)分的軟件算法，通過(guò)使用深度信息，可以在許多具有挑戰(zhàn)性的條件下對(duì)人進(jìn)行高精度的分類，例如在光線暗淡或沒(méi)有環(huán)境光的環(huán)境中，在人口密度較大的地區(qū)，以及在人員著裝復(fù)雜的情況下。最重要的是，幾乎可以消除人員計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。
使用深度傳感技術(shù)的人員跟蹤算法
本文總結(jié)
對(duì)于很多技術(shù)而言，技術(shù)的成熟度并非技術(shù)普及的唯一因素，還與技術(shù)的成本和產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同有很大的關(guān)系。在過(guò)去的2019年里，ToF技術(shù)不斷被領(lǐng)先手機(jī)廠商廣泛采用，在技術(shù)的演進(jìn)道路上走出了關(guān)鍵一步。未來(lái)如何通過(guò)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(lái)說(shuō)更為優(yōu)化的水平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)ToF技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中可靠性的成倍提升，是ToF技術(shù)普及乃至整個(gè)市場(chǎng)健康發(fā)展的前提，也是諸如ADI這類ToF技術(shù)系統(tǒng)級(jí)解決方案提供商需要考慮的研究重點(diǎn)。