承上篇『讓機器擁有『非凡』的視覺

這篇來談談

ToF 3D 攝影機的組成

ToF 3D 攝影機是以光學系統為接收路徑的區域陣列非掃描3D成像深度資訊採集技術。從下圖中我們可以瞭解到,ToF深度相機是由一個照射單元、一個光學鏡頭、一個成像感測器、一個控制單元和一個計算單元組成。

  • 照射單元照射單元在發射前需要對光源進行脈衝調製,調製後的光脈衝頻率可高達100MHz。因此,在圖像拍攝過程中,光源會被開啟和關閉數千次,而每個光脈衝只持續幾奈秒。相機的曝光時間參數決定了每次成像的脈衝數。為了實現精確測量,有必要精確控制光脈衝,使其具有相同的持續時間、上升時間和下降時間。因為即使是1ns的小偏差也會產生高達15cm的距離測量誤差。如此高的調製頻率和精度只能透過使用複雜的LED或雷射二極體來實現。 一般來說,採用人眼不可見的紅外光源。
  • 光學鏡頭用於收集反射光並在光學感測器上成像。與普通光學鏡頭不同,需要一個帶通濾波器,以確保只有與照射光源波長相同的光才能進入。這樣做的目的是抑制不相干的光源以減少雜訊,並防止由外部光線的干擾而導致光感測器的過度曝光。
  • 成像感測器是ToF相機的核心。該感測器的結構與普通圖像感測器相似,但比圖像感測器的結構更複雜。它包含兩個或更多的快門,在不同時間對反射光進行採樣。因此,ToF晶片的圖元尺寸要比普通圖像感測器大得多,一般約為100um。
  • 控制單元由相機的電子控制單元觸發的光脈衝序列與晶片的電子快門的開/關精確同步。它讀取和轉換感測器的電荷,並將它們引導到分析單元和資料介面。
  • 計算單元可以記錄精確的深度圖。深度圖通常是一個灰度圖像,其中每個值代表光反射面和攝像機之間的距離。為了獲得更好的結果,通常要進行資料校準。

 

直接ToF與間接ToF

根據執行方法,ToF 3D攝影機技術可分為iToF(間接ToF)和dToF(直接ToF)。iToF又分為連續波ToF和脈衝式ToF,如下圖所示。

 

dToF

dToF(直接飛行時間),是一種直接飛行時間測距方法,透過內部計時器直接測量雷射脈衝從發射端發出的時間tstart和雷射脈衝被物體反射後返回接收端的時間tstop之間的時間差。結合光速c,可以得到距離深度資料d。與下面提到的透過信號相位差間接測量發射信號與接收信號之間的時間差的方法相比,這種測量時間差的方法更為直接,所以被稱為直接飛行時間測距法。

直接飛行時間測距法的原理直接而簡單,但在技術層面上對發射器的光源、接收器的圖像感測器以及與同步和時間檢測有關的電路都有較高要求。例如,對發射器產生如此短的脈衝有一定的要求,而接收器的成像感測器也需要使用高靈敏度的光學檢測技術來檢測微弱的光信號,如單光子崩潰二極體(SPAD)技術。

 

連續波iToF

連續波iToF的基本原理是將光調整為固定頻率f的正弦波,發射端按照頻率f發射正弦波,在採集返回的光能時,連續波iToF會打開多個視窗,對多個視窗採集的資料進行採樣,分析一段時期內發射和接收的相位差資訊,然後通過以下公式得到距離資訊。

絕大多數連續波iToF系統採用CMOS感測器,特別是背照式CMOS工藝技術,大大提高了感光面積、光子採集率和測距速度,回應時間可達到ns級;為實現相位解包,CW ToF將應用多個調製頻率–這種方法將非常有助於減少多徑誤差;CW iToF是一種全CMOS成像系統,具有更好的靈活性和更快的讀出速度。然而,CW iToF方法也有一些缺點。其圖像感測器需要在多個調製頻率下進行四次相關函數採樣,再加上多幀處理,因此信號處理的複雜性會變高,可能需要額外的應用處理器;對於較長距離的測量,或場景中環境光較強時,對連續輸出功率要求較高,會影響加熱和穩定性。

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脈衝式iToF

下圖是脈衝式iTOF的原理示意圖。通過將光調整為固定頻率f的方波,發射端根據頻率f發射脈衝信號,接收端的感測器由兩個電子窗(s1,s2)組成。S1視窗頻率和相位與發射脈衝一致。當S1和S2視窗被打開時(高電位),它們在各自的時間內積累從物體上反射的光子。通過計算s1和s2的不同能量值比例,分析信號相位,計算出發射信號和接收信號的時間差,然後得到距離資料。

與CW iToF連續波調試模式相比,Pulse iToF的求解深度更簡單,計算負荷更低,對平臺的後端處理能力要求也更低。從脈衝式iTOF的原理來看,脈衝式iTOF在較短的時間視窗內發射高強度的光脈衝,可以減少背景光信號的影響,使其對環境光的變化有更強的適應性,更好地抵抗場景運動模糊等問題。