圖1. 飛行時(shí)間(ToF)：一項(xiàng)檢測(cè)到物體的距離的技術(shù)。

 

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，所有這些應(yīng)用都有機(jī)會(huì)使用3D深度傳感ToF技術(shù)，從而來(lái)解決許多傳統(tǒng)2D技術(shù)無(wú)能為力的問(wèn)題。高分辨率深度數(shù)據(jù)與強(qiáng)大的分類(lèi)算法以及AI相結(jié)合，將會(huì)解鎖許多新的應(yīng)用方向。

 

本文將探討ToF深度傳感的基本原理和兩種主要的方法，并與其他常用的深度測(cè)量技術(shù)進(jìn)行比較。然后，詳細(xì)介紹ADI公司的3D 深度傳感ToF技術(shù)的核心—— ADDI9036 模擬前端，這是一個(gè)完整的ToF信號(hào)處理器件，集成了深度處理器，將來(lái)自VGA CCD 傳感器的原始圖像數(shù)據(jù)處理成深度/像素?cái)?shù)據(jù)。我們還將討論ADI如何通過(guò)硬件合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)，將這項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)展到我們廣闊的市場(chǎng)客戶(hù)群。

 

基本的工作原理

 

圖2. 簡(jiǎn)單的飛行時(shí)間測(cè)量示意圖。

 

ToF相機(jī)通過(guò)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（圖2）。傳感器可以測(cè)量出發(fā)射出的激光信號(hào)經(jīng)目標(biāo)反射，回到相機(jī)的時(shí)間延遲?T。該延遲與相機(jī)到目標(biāo)物體間的兩倍距離（往返）成正比；因此，深度可以估算為：

 

 

其中 c表示光速。ToF相機(jī)的主要工作是估算發(fā)射光信號(hào)和反射光信號(hào)之間的延遲。

 

目前存在多種不同的測(cè)量?T的方法，其中兩種最為常用：連續(xù)波(CW)方法和脈沖方法。

 

連續(xù)波方法

 

圖3. 連續(xù)波ToF系統(tǒng)圖解

 

連續(xù)波方法采用周期調(diào)制信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)發(fā)光（圖3），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。

 

例如，當(dāng)發(fā)射信號(hào)使用正弦調(diào)制是，可以表示為如下公式：

 

 

其中

 

● A_s表示信號(hào)的幅度

● B_s 表示信號(hào)的偏置量

● f_mod 表示調(diào)制頻率, fmod – 1/Tmod 其中 Tmod 表示調(diào)制周期。

 

接收信號(hào) r(t)是反射信號(hào)經(jīng)過(guò)延遲和衰減得到的：

 

 

0 ≤ α < 1，α是衰減系數(shù)，其值取決于目標(biāo)距離以及表面反射率，?T表示返回信號(hào)的延遲時(shí)間。

 

連續(xù)波飛行時(shí)間傳感器通過(guò)按照相同的頻率s(t) 對(duì)接收信號(hào) r(t))和解調(diào)信號(hào) g(t) 之間的相關(guān)函數(shù)進(jìn)行采樣，以此測(cè)量每個(gè)像素的距離。在理想情況下，解調(diào)信號(hào)也是一個(gè)正弦波：

 

 

像素執(zhí)行的操作為相關(guān)運(yùn)算：

 

 

當(dāng)發(fā)射信號(hào)和解調(diào)信號(hào)都是正弦波時(shí)，相關(guān)值作為延遲τ 的函數(shù)應(yīng)用到解調(diào)信號(hào)中：

 

 

 

之后，如公式3所示，在每個(gè)四分之一周期內(nèi)，對(duì)相關(guān)函數(shù) c(τ)采樣（通過(guò)90°步進(jìn)改變發(fā)射光信號(hào)相位）。對(duì)于發(fā)射信號(hào)和解調(diào)信號(hào)之間的相位偏置Φ=2πf_modΔT,可以使用公式7估算：

 

 

深度則與相移成正比：

 

圖4. 相關(guān)函數(shù)采樣過(guò)程圖解。

 

脈沖方法

 

在脈沖方法中，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(mén)的傳感器，該傳感器能夠在一系列短時(shí)間窗口中進(jìn)行曝光。圖5中的三個(gè)快門(mén)窗口或脈沖被用于捕獲反射 光脈沖。其中BG窗口捕獲環(huán)境光，計(jì)算深度時(shí)環(huán)境光強(qiáng)度會(huì)被減掉。

 

圖5. 快門(mén)窗口捕捉反射光的示意圖。

 

根據(jù)不同快門(mén)曝光測(cè)得的光強(qiáng)值，可以按照以下公式估算得出ToF ?T：

 

 

在公式1中，使用公式9中的表達(dá)式替代?T，得出公式10，由此計(jì)算距離：

 

 

需要注意的是，這些公式是建立在假設(shè)脈沖是完美的矩形脈沖的基礎(chǔ)上的，考慮到硬件的局限性，這是不可能實(shí)現(xiàn)的。此外，在實(shí)際情況下，需要對(duì)幾百甚至幾千個(gè)激光脈沖進(jìn)行積分，才能獲得測(cè)量所需的足夠的信噪比(SNR)。

 

連續(xù)波和脈沖ToF技術(shù)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

 

相對(duì)于應(yīng)用用例，兩種ToF方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。需要考慮的問(wèn)題包括：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。值得注意的是，目前已在市場(chǎng)上得到廣泛應(yīng)用的絕大多數(shù)連續(xù)波ToF系統(tǒng)都使用CMOS傳感器，脈沖ToF系統(tǒng)則使用非CMOS傳感器（主要是CCD）。因此，以下列出的優(yōu)點(diǎn)/缺點(diǎn)都是基于這些假設(shè)：

 

連續(xù)波系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

 

● 對(duì)于對(duì)精度要求不高的應(yīng)用，連續(xù)波系統(tǒng)可能比脈沖系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗灰蠹す饷}沖非常短，也不需要具有超快的上升/下降沿，當(dāng)然在實(shí)際中很難復(fù)制完美的正弦波。但是，如果精度要求變得更嚴(yán)格，那么將需要更高頻率的調(diào)制信號(hào)，這實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)。

 

● 由于激光信號(hào)具有周期性，所以連續(xù)波系統(tǒng)測(cè)量中的任何相位測(cè)量每隔2π會(huì)重復(fù)一次，意味著會(huì)產(chǎn)生一個(gè)混疊距離。對(duì)于只有一個(gè)調(diào)制頻率的系統(tǒng)，混疊距離也是最大可測(cè)距離。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)限制，可以使用多個(gè)調(diào)制頻率來(lái)執(zhí)行相位展開(kāi)，其中，如果兩個(gè)（或多個(gè)）具有不同調(diào)制頻率的相位測(cè)量值與估算的距離一致，就可以確定與物體之間的真實(shí)距離。這種多重調(diào)制頻率方案也可以用于減少多路徑誤差，多路徑誤差是由于一個(gè)物體的反射光擊中另一個(gè)物體（或在鏡頭內(nèi)部反射），然后返回到傳感器時(shí)會(huì)導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

 

● 在所有CMOS成像器系統(tǒng)中，可以使用標(biāo)準(zhǔn)電源軌（+5 V、+3.3 V、+1.2 V），而CCD可能需要使用更高的負(fù)極(–9 V)和正極(+14 V)電源軌道。

 

● 根據(jù)它們的配置，CMOS ToF成像器往往具有更大的靈活性和更快的讀出速度，因此可以實(shí)現(xiàn)感興趣區(qū)域(RoI)輸出等功能。

 

● 連續(xù)波ToF系統(tǒng)的溫度校準(zhǔn)可能比脈沖ToF系統(tǒng)更容易。隨著系統(tǒng)溫度升高，解調(diào)信號(hào)和激光信號(hào)會(huì)因?yàn)闇囟茸兓舜似疲@種偏移只會(huì)影響測(cè)量距離，在整個(gè)距離范圍內(nèi)始終存在偏置誤差，而深度線性度則基本保持穩(wěn)定。

 

連續(xù)波系統(tǒng)的缺點(diǎn)：

 

● 雖然與其他傳感器相比，CMOS傳感器具有更高的輸出數(shù)據(jù)速率，但連續(xù)波傳感器需要在多個(gè)調(diào)制頻率下獲得4個(gè)相關(guān)函數(shù)樣本，并使用多幀處理來(lái)計(jì)算深度。較長(zhǎng)的曝光時(shí)間可能會(huì)限制系統(tǒng)的整體幀率，或?qū)е逻\(yùn)動(dòng)模糊，因此只能在有限類(lèi)型的應(yīng)用中使用。這種更高的處理復(fù)雜性可能需要用到外部應(yīng)用處理器，而這可能超出了應(yīng)用的需求。

 

● 對(duì)于更遠(yuǎn)的測(cè)量距離或者更強(qiáng)環(huán)境光的場(chǎng)景，更高的連續(xù)光功率（與脈沖ToF系統(tǒng)相比）則十分必要；而這種高強(qiáng)度的連續(xù)光信號(hào)則可能導(dǎo)致散熱和可靠性的新問(wèn)題。

 

脈沖ToF技術(shù)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

 

● 脈沖ToF技術(shù)系統(tǒng)通常依賴(lài)于在很短的時(shí)間窗口內(nèi)發(fā)出高能光脈沖。它具有下列優(yōu)點(diǎn)：

 

（1）更加便于設(shè)計(jì)魯棒性強(qiáng)的系統(tǒng)，因此更適用于戶(hù)外。

（2）曝光時(shí)間越短，運(yùn)動(dòng)模糊的效應(yīng)越小。

 

● 脈沖ToF系統(tǒng)中的信號(hào)占空比通常比同等水平的連續(xù)波系統(tǒng)要低得多，因此具有以下優(yōu)點(diǎn)：

 

（1）對(duì)于長(zhǎng)期工作的應(yīng)用，可以降低系統(tǒng)的總功耗。

（2）通過(guò)將脈沖群放置在與其他系統(tǒng)不同的幀位置，從而避免來(lái)自其他脈沖ToF系統(tǒng)的干擾。這可以通過(guò)協(xié)調(diào)各種系統(tǒng)在一幀中為激光脈沖選擇不同的位置，或者使用外部光電探測(cè)器來(lái)確定其他系統(tǒng)脈沖的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一種方法是動(dòng)態(tài)隨機(jī)排列脈沖群的位置，這樣就無(wú)需協(xié)調(diào)各個(gè)系統(tǒng)之間的時(shí)序，但這種方法無(wú)法完全消除干擾。

 

● 由于脈沖時(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。

 

脈沖ToF技術(shù)系統(tǒng)的缺點(diǎn)：

 

● 由于發(fā)射光脈沖的脈寬和快門(mén)的脈寬需要保持相同，所以系統(tǒng)的時(shí)序控制需要非常精確，根據(jù)應(yīng)用需要，可能需要達(dá)到皮秒級(jí)精度。

 

● 為了達(dá)到最大效率，激光脈沖寬度必須非常短，但同時(shí)必須具有極高的功率。因此，激光驅(qū)動(dòng)器需要實(shí)現(xiàn)非?？斓纳仙?下降沿(< 1ns)。

 

● 與連續(xù)波系統(tǒng)相比，其溫度校準(zhǔn)過(guò)程可能更為復(fù)雜，因?yàn)闇囟鹊淖兓瘯?huì)影響單個(gè)脈沖寬度，不僅影響偏置和增益，還會(huì)影響其線性度。

 

● 如前所述，大多數(shù)脈沖系統(tǒng)都不使用CMOS傳感器。例如：

 

（1）脈沖ToF系統(tǒng)幾乎總是需要使用外部模擬前端來(lái)數(shù)字化和輸出深度數(shù)據(jù)（盡管連續(xù)波系統(tǒng)也可能需要使用外部處理器，但這取決于后端處理的復(fù)雜度）。

（2）該系統(tǒng)的配置（特別是ToF傳感器的電源要求）需要使用更多的組件和電源軌。

 

其他深度傳感技術(shù)

 

熟悉其他深度傳感技術(shù)對(duì)理解不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)非常有幫助；如前所述，根據(jù)用例和應(yīng)用要求，所有深度傳感系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)。

 

立體視覺(jué)

 

要使用立體視覺(jué)進(jìn)行深度測(cè)量，需要用到多個(gè)相機(jī)，彼此之間相隔一定距離（圖6）。就像人眼一樣，會(huì)在空間中給每個(gè)相機(jī)一個(gè)參考點(diǎn)，這些點(diǎn)相互獨(dú)立，因此如果在兩個(gè)相機(jī)之間能夠?qū)?yīng)還原這些點(diǎn)的坐標(biāo)，系統(tǒng)就能夠計(jì)算這些點(diǎn)的位置。確定這種對(duì)應(yīng)關(guān)系需要用到高強(qiáng)度且復(fù)雜的算法。

 

圖6. 使用立體視覺(jué)的3D深度測(cè)量

 

優(yōu)點(diǎn)

 

● 無(wú)需主動(dòng)發(fā)光

 

● 它只需要使用兩個(gè)相機(jī)來(lái)獲取數(shù)據(jù)，因此價(jià)格更便宜（雖然可能需要使用一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用處理器來(lái)找到對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，并生成3D圖像）。

 

缺點(diǎn)

 

● 如果兩個(gè)相機(jī)之間的對(duì)應(yīng)點(diǎn)沒(méi)有差別對(duì)比，則無(wú)法計(jì)算距離。對(duì)于白墻環(huán)境（因?yàn)閮蓚€(gè)相機(jī)顯示的內(nèi)容之間沒(méi)有差異）和環(huán)境光不足的環(huán)境，這個(gè)問(wèn)題就會(huì)凸顯出來(lái)。

 

● 距離更遠(yuǎn)時(shí)，兩個(gè)相機(jī)彼此之間應(yīng)該相距更遠(yuǎn)，以便對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位于兩個(gè)相機(jī)的不同位置。對(duì)于需要測(cè)量更遠(yuǎn)距離的應(yīng)用，尺寸成為明顯的問(wèn)題。

 

結(jié)構(gòu)光

 

結(jié)構(gòu)光的工作原理是將已知的參考點(diǎn)圖投射到三維物體上，參考點(diǎn)圖經(jīng)過(guò)物體高度調(diào)制產(chǎn)生變形，被調(diào)制的光信息被2D相機(jī)采集捕捉，然后將調(diào)制后的光信息與投射的參考點(diǎn)圖做對(duì)比，基于調(diào)制水平計(jì)算出深度圖。

 

圖7. 使用結(jié)構(gòu)光方法的深度傳感圖解。

 

優(yōu)點(diǎn)

 

● 能夠在近距離內(nèi)（< 2米）實(shí)現(xiàn)非常高的空間分辨率和非常高的精度。

 

缺點(diǎn)

 

● 提取一幀信息需要多次投影，這可能會(huì)降低幀速率，導(dǎo)致從移動(dòng)對(duì)象中提取距離信息變得非常困難。

 

● 對(duì)于遠(yuǎn)距離探測(cè)，光源需要遠(yuǎn)離相機(jī)鏡頭，因?yàn)槿绻庠淳嚯x鏡頭太近，可能導(dǎo)致無(wú)法識(shí)別圖像變形。對(duì)于需要小尺寸外形的應(yīng)用，這可能不太合適。因此，當(dāng)深度測(cè)量應(yīng)用的距離大于2米時(shí)，一般不使用結(jié)構(gòu)光方法。

 

● 室外環(huán)境光也可能干擾圖像調(diào)制，所以結(jié)構(gòu)光更加適合在室內(nèi)使用。

 

ADI深度傳感(ToF)技術(shù)

 

ADI的ToF技術(shù)屬于脈沖ToF CCD系統(tǒng)（圖8），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ADDI9036。時(shí)序發(fā)生器的精確時(shí)序內(nèi)核支持在45 MHz時(shí)鐘頻率下按照大約174 ps分辨率調(diào)整時(shí)鐘和LD輸出。

 

圖8. ADI ToF系統(tǒng)功能框圖。

 

與其他解決方案相比，ADI的ToF系統(tǒng)具備以下優(yōu)點(diǎn)

 

● 使用了分辨率為640×480的ToF圖像傳感器，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。

 

● 使用了對(duì)940nm波長(zhǎng)高度靈敏的傳感器。如之前所述，環(huán)境光將顯著降低反射信號(hào)的信噪比，特別是在強(qiáng)烈的環(huán)境光下。940nm激光器已經(jīng)變得很普遍，因?yàn)檫@種波長(zhǎng)在太陽(yáng)光光譜中占據(jù)了一席之地，在該光譜中，光子通量的幅度相對(duì)較低（圖9）。ADI ToF系統(tǒng)使用對(duì)940nm光敏感的ToF CCD，因此能夠在室外環(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)。

 

圖9. 光子通量與太陽(yáng)光的波長(zhǎng)。

 

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（如前所述）。因此，可以在同個(gè)環(huán)境中使用多個(gè)ADI的ToF系統(tǒng)。

 

圖10. 戶(hù)外圖像的深度圖比較。

 

在圖10顯示的示例中，在戶(hù)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。

 

W哪些應(yīng)用正在使用ToF技術(shù)？

 

如引言所述，在2D圖像中加入深度信息可以提取出更多的有效信息，從而顯著提高場(chǎng)景信息的質(zhì)量。例如，2D圖像檢測(cè)無(wú)法區(qū)分真人和照片。提取深度信息可以更好地區(qū)分人體，跟蹤面部和身體特征。ToF深度傳感可以提供高質(zhì)量且可靠的人臉識(shí)別方案，用于身份安全驗(yàn)證。分辨率和深度精度越高，分類(lèi)算法 的性能越好。它可以用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單功能，例如允許訪問(wèn)移動(dòng)設(shè)備/私人家庭空間，也可以實(shí)現(xiàn)高端應(yīng)用，例如在商業(yè)敏感區(qū)域提供門(mén)禁控制。

 

圖11. 數(shù)字人臉識(shí)別。

 

隨著深度傳感技術(shù)的分辨率和深度精度不斷提高，人員的區(qū)分和跟蹤將變得更加容易。人工智能的使用可以大大提高分類(lèi)的置信度，從而推動(dòng)新的新興應(yīng)用領(lǐng)域涌現(xiàn)。一個(gè)很好的例子是商業(yè)自動(dòng)門(mén)開(kāi)啟功能，尤其是在太陽(yáng)光強(qiáng)烈的區(qū)域。確保門(mén)只對(duì)人開(kāi)放，不對(duì)其他物體開(kāi)放，這有助于實(shí)現(xiàn)高效樓宇管理，并提高安全性。

 

圖12. 自動(dòng)門(mén)開(kāi)啟的人員分類(lèi)。

 

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(mén)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(mén)開(kāi)啟（圖13），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正在開(kāi)發(fā)人員計(jì)數(shù)和區(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(lèi)，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（例如，戴著帽子、圍巾等）。最重要的是，幾乎可以消除人員計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。如今，立體攝像機(jī)可以用于進(jìn)出檢測(cè)，但由于機(jī)械尺寸（兩個(gè)傳感器）和高處理器需求的限制，立體視覺(jué)往往價(jià)格昂貴，且尺寸很大。ADI ToF 技術(shù)直接輸出深度圖，且只采用一個(gè)傳感器，因此大大降低了外形尺寸和處理需求。

 

圖13. 使用深度傳感技術(shù)的人員跟蹤算法。

 

深度傳感是工業(yè)、制造和建筑過(guò)程中的重要應(yīng)用。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地確定尺寸并進(jìn)行分類(lèi)，這是一項(xiàng)了不起的功能。準(zhǔn)確的深度傳感可以確定倉(cāng)庫(kù)的使用率。需要能夠快速確定下線產(chǎn)品的尺寸，以進(jìn)行傳輸。高分辨率深度傳感能夠?qū)崟r(shí)確定目標(biāo)對(duì)象的邊緣和線條，并快速計(jì)算出其體積。這種確定體積的應(yīng)用目前已使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。

 

圖14. 3D尺寸。

 

在工廠內(nèi)部，自動(dòng)傳輸產(chǎn)品的范圍不斷擴(kuò)大。AGV（自動(dòng)導(dǎo)航車(chē)輛）等自動(dòng)駕駛車(chē)輛將需要在工廠和倉(cāng)庫(kù)中更快地自主導(dǎo)航。高精度深度傳感技術(shù)使得傳感器能夠?qū)崟r(shí)繪制所處的環(huán)境、確定自身在地圖中的位置，然后找出最高效的導(dǎo)航路線。在工廠自動(dòng)化環(huán)境中部署這種技術(shù)的最大挑戰(zhàn)之一在于：來(lái)自在同一 區(qū)域運(yùn)行的其他傳感器的干擾。ADI的干擾消除IP使得這些傳感器能夠在彼此的視線范圍內(nèi)工作，且不互相影響性能。

 

圖15.制造過(guò)程中的深度傳感用例。

 

如何使用ToF技術(shù)實(shí)施評(píng)估、原型制作和設(shè)計(jì)？

 

ADI開(kāi)發(fā)了一個(gè)光學(xué)傳感器電路板 (AD-96TOF1-EBZ)，與Arrow 96應(yīng) 用處理器平臺(tái)兼容。關(guān)于這款96TOF1電路板的光學(xué)規(guī)格，請(qǐng)參 見(jiàn)表1。

 

圖16. ADI的96TOF光學(xué)深度測(cè)量電路板。

 

表1. ADI的96TOF光學(xué)電路板規(guī)格

 

該電路板可以直接連接到Arrow的96Boards系列產(chǎn)品。96Boards系列是一系列硬件處理器平臺(tái)，以合理的價(jià)格為開(kāi)發(fā)人員提供基于 ARM®的最新處理器。按照96Boards規(guī)格生產(chǎn)的電路板適用于快速原型制作， Qualcomm® SnapdragonTM, 恩智浦和 NVIDIA® 處理器都支持96Boards平臺(tái)。

 

ToF深度傳感是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)。實(shí)現(xiàn)VGA傳感器的最高性能需要用到大量的光學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)。光學(xué)校準(zhǔn)、高速脈沖時(shí)序模式、溫度漂移和補(bǔ)償都會(huì)影響深度精度。要實(shí)現(xiàn)所需的性能，可能需要花很長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)。雖然ADI可以提供含芯片的設(shè)計(jì)，為合格客戶(hù)提供機(jī)會(huì)，但許多客戶(hù)都在尋找能夠更輕松、更快速且更高效進(jìn)入市場(chǎng)的方法。

 

許多客戶(hù)都對(duì)簡(jiǎn)單的演示模塊感興趣，他們會(huì)先評(píng)估該項(xiàng)技術(shù)的性能，然后決定是否在實(shí)際項(xiàng)目中使用。ADI與多家硬件合作伙伴合作，提供不同等級(jí)的硬件產(chǎn)品。DCAM710演示模塊由我們其中一家硬件合作伙伴(Pico)提供，支持通過(guò)USB將深度圖像直接傳輸至PC。

 

圖17. DCAM710 VGA深度測(cè)量和RGB攝像機(jī)。

 

DCAM710模塊規(guī)格

 

ToF攝像機(jī)DCAM710模塊的規(guī)格：

 

● B基于ADI的ToF信號(hào)鏈產(chǎn)品和技術(shù)

● 可輸出深度圖和（710版）ToF + RGB圖像（可禁用）

● FOV 70 × 54

● 深度攝像機(jī)支持的圖像大?。?0 FPS下，最大640 × 480

● RGB攝像機(jī)支持的圖像大?。?0 FPS下，最大1920 × 1080

● USB 2.0接口

● 支持的操作系統(tǒng)：可以在 Android®, Linux® 和 Windows® 7/8/10 上 運(yùn)行

● Pico深度傳感器SDK、示例代碼和工具（兼容OpenNI SDK）

● Python®中ADI提供的示例應(yīng)用算法

 

Pico SDK軟件平臺(tái)支持Windows和Linux操作系統(tǒng)，支持多種軟件功能。點(diǎn)云可以在對(duì)象周?chē)目臻g中生成一組數(shù)據(jù)點(diǎn)，通常用于生成3D模型（可以通過(guò)SDK輕松生成）。

 

圖18. 深度傳感點(diǎn)云。

 

由于演示平臺(tái)通過(guò)USB將原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，因此很容易開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的軟件應(yīng)用算法來(lái)幫助客戶(hù)快速開(kāi)發(fā)代碼。

 

圖19. VGA深度傳感通過(guò)USB傳輸至PC。

 

ADI在Python中提供簡(jiǎn)單的示例代碼，以支持客戶(hù)進(jìn)行評(píng)估。下面的示例是實(shí)時(shí)截圖的Python源代碼，該代碼被用于檢測(cè)和分類(lèi)人員，然后使用深度測(cè)量來(lái)確定人員與傳感器之間的關(guān)系。其他可用的算法包括終端檢測(cè)、對(duì)象跟蹤和3D安全幕。

 

圖20. 人員分類(lèi)和范圍檢測(cè)。

 

如何利用ToF實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)？

 

雖然ADI 96TOF參考設(shè)計(jì)對(duì)進(jìn)行芯片化設(shè)計(jì)的客戶(hù)非常有用，DCAM710演示平臺(tái)仍是評(píng)估該技術(shù)的一種經(jīng)濟(jì)高效的方法，但在許多情況下，客戶(hù)進(jìn)入量產(chǎn)時(shí)，會(huì)需要使用不同或自定義程度更高的解決方案。例如，在AGV系統(tǒng)中，通常需要終端節(jié)點(diǎn)感測(cè)模塊提供GigE或以太網(wǎng)輸出。這提供了一種將來(lái)自終端節(jié)點(diǎn)感測(cè)模塊的高速原始深度數(shù)據(jù)發(fā)送至集中化CPU/GPU控制器的可靠方法。

 

圖21. 工業(yè)AGV中的深度測(cè)量（導(dǎo)航/防撞）。

 

在其他應(yīng)用中，客戶(hù)可能希望實(shí)現(xiàn)一些終端節(jié)點(diǎn)處理，但只將元數(shù)據(jù)發(fā)送回控制器。在這種情況下，就需要使用外形小巧的深度節(jié)點(diǎn)模塊，配備支持ARM或FPGA的集成式終端節(jié)點(diǎn)處理器。ADI已經(jīng)開(kāi)發(fā)了大量第三方生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴，可以滿(mǎn)足不同客戶(hù)的要求。

 

這些第三方提供一系列功能，從完整的攝像機(jī)產(chǎn)品到?jīng)]有外殼的小型光學(xué)模塊（可以集成到更大的系統(tǒng)中）。下圖所示為沒(méi)有外殼的微型MIPI模塊，可以輕松集成到更大的系統(tǒng)中。ADI的合作伙伴網(wǎng)絡(luò)還可以根據(jù)需要提供硬件、光學(xué)器件和應(yīng)用處理器定制服務(wù)。我們的合作伙伴如今提供的模塊包括USB、以太網(wǎng)、Wi-Fi和MIPI，以及一系列集成式終端節(jié)點(diǎn)處理器。

 

ADI和我們的硬件合作伙伴還與外部軟件合作伙伴合作，后者提供系統(tǒng)級(jí)的深度處理算法專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

 

結(jié)論

 

高分辨率深度成像系統(tǒng)可以幫助解決新興應(yīng)用領(lǐng)域中的困難任務(wù)和復(fù)雜任務(wù)，這一優(yōu)點(diǎn)促使我們的客戶(hù)開(kāi)始迅速采用該系統(tǒng)。想要以最快的速度、最低的風(fēng)險(xiǎn)、最便宜的方式進(jìn)入市場(chǎng)，就需要采用經(jīng)濟(jì)高效、尺寸小巧、高度精準(zhǔn)、可以集成到更大系統(tǒng)的模塊。ADI的96TOF參考設(shè)計(jì)平臺(tái)提供一個(gè)完整的嵌入式評(píng)估平臺(tái)，使得客戶(hù)能夠立即評(píng)估技術(shù)，并開(kāi)始開(kāi)發(fā)應(yīng)用代碼。如需獲取有關(guān)ADI的ToF技術(shù)、硬件或我們的硬件合作伙伴的更多信息，請(qǐng)聯(lián)系A(chǔ)DI。

 

 

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