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ToF傳感器又被蘋(píng)果“玩”了一番,未來(lái)前景究竟如何?

2020-03-24 09:37 物聯(lián)傳媒
關(guān)鍵詞:ToF傳感器蘋(píng)果

導(dǎo)讀:在工業(yè)相機(jī)領(lǐng)域,ToF已經(jīng)被應(yīng)用在機(jī)器人上,配合AI算法可以實(shí)現(xiàn)物體識(shí)別功能,輔助進(jìn)行挑揀、打包、堆疊等操作。

早在今年1月份,筆者就預(yù)測(cè)光電傳感器在2020年將會(huì)成為一大重點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)。很巧合的,本次疫情期間恰巧印證了這一點(diǎn),我們可以看到紅外傳感器用于測(cè)溫的大火。不過(guò),疫情這種天災(zāi)人禍不足以說(shuō)明光電傳感器在未來(lái)的發(fā)展會(huì)是如何,但是,我們注意到,一直作為科技風(fēng)向標(biāo)的蘋(píng)果,除了在手機(jī)中植入U(xiǎn)WB技術(shù),還將會(huì)更新其傳感器組成。具體說(shuō)來(lái),根據(jù)外媒報(bào)道,蘋(píng)果已經(jīng)確定將在iPhone 12 Pro和iPhone 12 Pro Max等兩款旗艦機(jī)中采用ToF傳感器,用于開(kāi)發(fā)AR內(nèi)容和提升AR使用體驗(yàn)。這里需要糾正的一點(diǎn)是,ToF并不是像外界所說(shuō)的那樣,在手機(jī)領(lǐng)域的首次應(yīng)用并不是在iPhone 7上,而是在2014年,黑莓發(fā)布的Blackberry Passport智能手機(jī)中。

其實(shí)ToF傳感器在手機(jī)中的應(yīng)用最近幾年也是屢見(jiàn)不鮮,它已經(jīng)逐漸成為手機(jī)攝像的潮流,此前三星、華為、小米在其旗艦機(jī)后置攝像頭上就搭載ToF相機(jī)。在工業(yè)相機(jī)領(lǐng)域,ToF已經(jīng)被應(yīng)用在機(jī)器人上,配合AI算法可以實(shí)現(xiàn)物體識(shí)別功能,輔助進(jìn)行挑揀、打包、堆疊等操作。

ToF、雙目、結(jié)構(gòu)光的性能對(duì)比

什么是ToF傳感器?ToF傳感器又名飛行傳感器,是一種接近傳感器,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),它的主要原理是利用自身發(fā)出的對(duì)脈沖發(fā)射光在某種介質(zhì)中行進(jìn)一段時(shí)間到達(dá)物體并反射回傳感器所用的時(shí)間來(lái)測(cè)量傳感器與物體之間的距離,進(jìn)而再通過(guò)ToF內(nèi)部的圖像傳感器來(lái)確定測(cè)量的點(diǎn)形成的深度圖像(景深)或者3D圖像,前面所說(shuō)的測(cè)量飛行時(shí)間來(lái)確定距離的方法其實(shí)有三種,分別為脈沖光法、幅度調(diào)制波的相移測(cè)量法以及帶電電容器的差分電壓測(cè)量法。

由于是通過(guò)發(fā)射器發(fā)射脈沖,ToF屬于主動(dòng)光探測(cè)方案,ToF的發(fā)射對(duì)脈沖光之前都需要對(duì)光進(jìn)行高頻調(diào)制后再發(fā)射,同時(shí)它還屬于激光全面照射而非局部區(qū)域,所以ToF的功耗較大。當(dāng)然,ToF最大的優(yōu)點(diǎn)就是測(cè)距的優(yōu)勢(shì),它的算法相對(duì)較為簡(jiǎn)單,對(duì)于目標(biāo)的景深、位置等指標(biāo)的測(cè)量較為精確。作為3D成像傳感器,分辨率是ToF的最大問(wèn)題,TOF相機(jī)上每一個(gè)像元對(duì)入射光往返相機(jī)與物體之間的相位分別進(jìn)行記錄,但比一般圖像傳感器更復(fù)雜,它包含2個(gè)或者更多快門(mén),用來(lái)在不同時(shí)間采樣反射光線ToF的像素要比一般圖像傳感器像素尺寸大得多,一般為100um。

除了ToF能夠?qū)崿F(xiàn)3D成像,另外討論最多的是與雙目立體視覺(jué)技術(shù)和結(jié)構(gòu)光技術(shù),對(duì)比起來(lái),這三者的優(yōu)缺點(diǎn)一目了然。

雙目立體視覺(jué)技術(shù)可以類(lèi)比為人的兩只眼睛,帶兩個(gè)攝像頭的手機(jī)通常都會(huì)使用這種方法獲得深度信息,建立三維圖像,也就是利用了視差的原理。由于雙目立體視覺(jué)技術(shù)屬于被動(dòng)光探測(cè),所以其功耗較小。但是雙目立體視覺(jué)的算法較為復(fù)雜,在光照或者物體紋理不明顯的時(shí)候,其工作效果會(huì)大受影響,這也是為什么雙目立體技術(shù)的識(shí)別范圍、響應(yīng)速度等方面都不及ToF的原因。

其實(shí)結(jié)構(gòu)光的提出是為了解決雙目技術(shù)存在的問(wèn)題(如,RGB雙目很依賴(lài)圖像的特征、受光照、紋理等影響),與ToF相似,結(jié)構(gòu)光也是主動(dòng)光探測(cè),但是原理是基于光學(xué)三角測(cè)量原理,通過(guò)投射器投射編碼好的結(jié)構(gòu)光到被測(cè)物體表面,然后通過(guò)單個(gè)或多個(gè)相機(jī)拍攝被測(cè)表面即得結(jié)構(gòu)光圖像;最后,基于三角測(cè)量原理經(jīng)過(guò)圖像三維解析計(jì)算從而實(shí)現(xiàn)三維重建。正想上面所說(shuō),由于是主動(dòng)投射編碼光,結(jié)構(gòu)光與ToF類(lèi)似,對(duì)于光照的需求沒(méi)有雙目那么嚴(yán)格。同時(shí),投影圖案是編碼好的,所以在一定范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)光的測(cè)量精度較高。但是,在遠(yuǎn)距離測(cè)量方面,結(jié)構(gòu)光不如ToF,如果物體離相機(jī)越遠(yuǎn),編碼的圖案投射在物體上圖案也就越大,精度也就隨之降低,所以一般應(yīng)用在近距離的場(chǎng)景。

ToF的未來(lái)究竟如何?

在ToF、雙目和結(jié)構(gòu)光對(duì)比中,可以了解到,ToF最大的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)距,它的深度計(jì)算精度不隨距離改變而變化,基本能夠保持在厘米級(jí)別,在包含大范圍運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景下,ToF的適用度非常高。

在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。而近幾年,隨著發(fā)光元件性能的大幅提高,在自動(dòng)駕駛、VR/AR、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)興起的形勢(shì)下,3D應(yīng)用需求的擴(kuò)大,2D圖像需求也在逐步向3D圖像激增,這也帶動(dòng)了ToF傳感器的市場(chǎng)發(fā)展。就目前來(lái)看,ToF匹配度最高的應(yīng)用場(chǎng)景包括:自動(dòng)駕駛中行車(chē)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、重量計(jì)算,機(jī)器人的導(dǎo)航等等。這些應(yīng)用領(lǐng)域都充分了利用了ToF傳感器在精準(zhǔn)定位和距離測(cè)算上的優(yōu)勢(shì)。

不過(guò),ToF要想在這些領(lǐng)域迅速發(fā)展,占據(jù)一席之地,成本是最大的絆腳石。如果將3D攝像頭的產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行拆解,可分為:上游為紅外傳感器、紅外光源、光學(xué)組件、光學(xué)鏡頭以及圖像傳感器(CCD和CMOS圖像傳感器),中游為傳感器模組、攝像頭模組、光源代工、光源檢測(cè)以及圖像算法,下游即為終端和應(yīng)用廠商。其中,圖像傳感器是ToF傳感器的核心組件,此前CCD圖像傳感器一直是ToF的必備組件,但是我們知道CCD圖像傳感器一直以來(lái)都是用在醫(yī)療、航空航天等高端領(lǐng)域,用在ToF十分不利于普及。最近幾年,隨著CMOS圖像傳感器的迅速發(fā)展,在分別率、靈敏度上都有不少提升,ToF傳感器成本因此有望能夠下降不少。

筆者曾記得此前小米盧偉冰和榮耀發(fā)言人“榮耀老熊”就為T(mén)oF爭(zhēng)論了一番,盧偉冰認(rèn)為T(mén)oF是噱頭,實(shí)際用處不大。而持相反觀點(diǎn)的老熊則認(rèn)為T(mén)oF能夠突破性地將現(xiàn)實(shí)世界物體、人像、空間虛擬化,必將是5G最重要的應(yīng)用場(chǎng)景之一。其實(shí)筆者更傾向于老熊的觀點(diǎn),雖然ToF并沒(méi)有肉眼可見(jiàn)的發(fā)展速度,但是在各大應(yīng)用場(chǎng)景逐漸增多,技術(shù)和硬件成本降低的趨勢(shì)下,它的測(cè)距前景是無(wú)需懷疑的,在分辨率、功耗等弱勢(shì)性能指標(biāo)上,未來(lái)也值得期許!