飛行時間(TOF)相機(jī)的優(yōu)缺點及其應(yīng)用領(lǐng)域

3D TOF 相機(jī)特性

利用TOF技術(shù)成像的設(shè)備被稱為TOF相機(jī)（或TOF攝像頭）， TOF相機(jī)與普通機(jī)器視覺成像過程也有類似之處，都是由光源、光學(xué)部件、傳感器（TOF芯片）、控制電路以及處理電路等幾部單元組成。這種技術(shù)跟3D激光傳感器原理基本類似，只不過3D激光傳感器是逐點掃描，而TOF相機(jī)則是同時得到整幅圖像的深度信息。

與同屬于非侵入式三維探測、適用領(lǐng)域非常類似的雙目測量系統(tǒng)相比，TOF相機(jī)具有根本不同3D成像機(jī)理。雙目立體測量通過左右立體像對匹配后，再經(jīng)過三角測量法來進(jìn)行立體探測，而TOF相機(jī)是通過入、反射光探測來獲取的目標(biāo)距離獲取。

TOF技術(shù)采用主動光探測方式，與一般光照需求不一樣的是，TOF照射單元的目的不是照明，而是利用入射光信號與反射光信號的變化來進(jìn)行距離測量，所以，TOF的照射單元都是對光進(jìn)行高頻調(diào)制之后再進(jìn)行發(fā)射。

與普通相機(jī)類似，TOF相機(jī)芯片前端需要一個搜集光線的鏡頭。不過與普通光學(xué)鏡頭不同的是這里需要加一個帶通濾光片來保證只有與照明光源波長相同的光才能進(jìn)入。同時由于光學(xué)成像系統(tǒng)具有透視效果，不同距離的場景為各個不同直徑的同心球面，而非平行平面，所以在實際使用時，需要后續(xù)處理單元對這個誤差進(jìn)行校正。

作為TOF的相機(jī)的核心，TOF芯片每一個像元對入射光往返相機(jī)與物體之間的相位分別進(jìn)行紀(jì)錄。該傳感器結(jié)構(gòu)與普通圖像傳感器類似，但比圖像傳感器更復(fù)雜，它包含2個或者更多快門，用來在不同時間采樣反射光線。

因為這種原因，TOF芯片像素比一般圖像傳感器像素尺寸要大得多，一般100um左右。照射單元和TOF傳感器都需要高速信號控制，這樣才能達(dá)到高的深度測量精度。比如，照射光與TOF傳感器之間同步信號發(fā)生10ps的偏移，就相當(dāng)于1.5mm的位移。而當(dāng)前的CPU 可到3GHz，相應(yīng)得時鐘周期是300ps，則相應(yīng)得深度分辨率為45mm。運算單元主要是完成數(shù)據(jù)校正和計算工作，通過計算入射光與反射光相對相移關(guān)系，即可求取距離信息。

TOF相機(jī)優(yōu)缺點分析

TOF相機(jī)優(yōu)點：

1、相對二維圖像，可通過距離信息獲取物體之間更加豐富的位置關(guān)系，即區(qū)分前景與后景；

2、深度信息依舊可以完成對目標(biāo)圖像的分割、標(biāo)記、識別、跟蹤等傳統(tǒng)應(yīng)用；

3、經(jīng)過進(jìn)一步深化處理，可以完成三維建模等應(yīng)用；

4、能夠快速完成對目標(biāo)的識別與追蹤；

5、主要配件成本相對低廉，包括CCD和普通 LED 等，對今后的普及化生產(chǎn)及使用有利；

6、借助 CMOS 的特性，可獲取大量數(shù)據(jù)及信息，對復(fù)雜物體的姿態(tài)判斷極為有效；

7、無需掃描設(shè)備輔助工作。

TOF相機(jī)缺點：

1、相對于普通數(shù)碼相機(jī)，其造價仍然偏高，影響該產(chǎn)品目前的普及使用率；

2、相機(jī)本身仍然受到硬件發(fā)展的限制，更新?lián)Q代速度較快；

3、測量距離較常規(guī)測量儀器短，一般不超過 10 米；

4、測量結(jié)果受被測物性質(zhì)的影響；

5、大多數(shù)機(jī)器的測量結(jié)果受外界環(huán)境干擾較為明顯，尤其是受外界光源干擾；

6、分辨率相對較低，

7、系統(tǒng)誤差及隨機(jī)誤差對結(jié)果影響明顯，需要進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理。

TOF應(yīng)用領(lǐng)域

TOF技術(shù)具有豐富的應(yīng)用場景，在汽車、工業(yè)、人臉識別、物流、安撫監(jiān)控、健康，游戲、娛樂、電影特效、3D打印和機(jī)器人等諸多領(lǐng)域都有應(yīng)用。

汽車：TOF傳感器可以用于自動駕駛，通過TOF技術(shù)對行車環(huán)境進(jìn)行感知，從而獲取環(huán)境信息以增加安全性，此外TOF還可以用于汽車內(nèi)的乘客離位檢測。

工業(yè)領(lǐng)域：TOF傳感器可以被用作HMI(人機(jī)接口：Human Machine Interface)，在高度自動化的工廠中，工人和機(jī)器人需要在很近的距離下協(xié)同工作，TOF設(shè)備可以用于控制各種情形下的安全距離。

人臉識別系統(tǒng)：TOF相機(jī)的亮度圖像和深度信息可以通過模型連接起來，迅速精準(zhǔn)的完成人臉匹配和檢測。

物流行業(yè)：通過 TOF 相機(jī)迅速獲得包裹的拋重（即體積），來優(yōu)化裝箱和進(jìn)行運費評估；

安防和監(jiān)控：利用景深進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計（ Peoplecounting）俗稱“數(shù)人頭”，確定進(jìn)入某區(qū)域的人數(shù)；通過對人流或復(fù)雜交通系統(tǒng)的人數(shù)統(tǒng)計，實現(xiàn)對安防系統(tǒng)的統(tǒng)計分析設(shè)計；以及敏感地區(qū)的檢測對象監(jiān)視；

機(jī)器視覺：工業(yè)定位、工業(yè)引導(dǎo)和體積預(yù)估；替代工位上占用大量空間的、基于紅外光進(jìn)行安全生產(chǎn)控制的設(shè)備；

機(jī)器人：使用深度視覺進(jìn)行導(dǎo)航、識別外界的環(huán)境、規(guī)劃路徑、實現(xiàn)避障工作等；

醫(yī)療和生物：足部矯形建模、病人活動/狀態(tài)監(jiān)控、手術(shù)輔助；

互動娛樂：動作姿勢探測、表情識別、娛樂廣告；在制作影視特時，TOF相機(jī)可以將深度信息附加在視頻圖像中，精確確定場景中每個像素的空間位置。通過簡單的后期處理，就能將特效道具插入影片的任何位置。

此外，無論是固定式還是移動式的，TOF設(shè)備都可以作為一個性能優(yōu)異的輸入設(shè)備。TOF相機(jī)的手勢識別能力特別適用于消費電子領(lǐng)域，例如游戲、手持式設(shè)備和家庭娛樂，以TOF設(shè)備為第一人稱游戲提供了直觀的接口，完全可以代替遠(yuǎn)程控制，鼠標(biāo)和觸摸屏。

審核編輯：湯梓紅