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TOF技术科普篇

2018-04-04来源:编辑:admin


ToF是Time ofFlight的缩写,直译为飞行时间,通过给目标连续发送光脉冲,然后用传感器接收从物体返回的光,通过探测这些发射和接收光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。

这种技术跟3D激光传感器原理基本类似,只不过3D激光传感器是逐点扫描,而TOF相机则是同时得到整幅图像的深度信息。TOF相机与普通机器视觉成像过程也有类似之处,都是由光源、光学部件、传感器、控制电路以及处理电路等几部单元组成。


与同属于非侵入式三维探测、适用领域非常类似的双目测量系统相比,TOF相机具有根本不同3D成像机理。双目立体测量通过左右立体像对匹配后,再经过三角测量法来进行立体探测,而TOF相机是通过入、反射光探测来获取的目标距离获取。

TOF技术采用主动光探测方式,与一般光照需求不一样的是,TOF照射单元的目的不是照明,而是利用入射光信号与反射光信号的变化来进行距离测量,所以,TOF的照射单元都是对光进行高频调制之后再进行发射,脉冲可达到100MHz。

当前市面上已有的ToF相机技术大部分是基于连续波(continuous wave)强度调制方法,还有一些是基于光学快门的方法,原理略有不同。分别的原理如下图所示:

 


基于光学快门的方法的原理非常简单,发射一束脉冲光波,通过光学快门快速精确获取照射到三维物体后反射回来的光波的时间差t,由于光速c已知,只要知道照射光和接收光的时间差,来回的距离可以通过公示d = t/2· c。 此种方法原理看起来非常简单,但是实际应用中要达到较高的精度仍具有很大的挑战,如控制光学快门开关的时钟要求非常高的精度,还要能够产生高精度及高重复性的超短脉冲,照射单元和TOF传感器都需要高速信号控制,这样才能达到高的深度测量精度。 假如照射光与ToF传感器之间的时钟信号发生10ps的偏移,就相当于1.5mm的位移误差。

另一种已有的基于连续波强度调制的ToF工作原理如下:

 

发射一束照明光,利用发射光波信号与反射光波信号的相位变化来进行距离测量。其中,照明模组的波长一般是红外波段,且需要进行高频率调制。ToF感光模组与普通手机摄像模组类似,由芯片,镜头,线路板等部件构成,ToF感光芯片每一个像元对发射光波的往返相机与物体之间的具体相位分别进行录,通过数据处理单元提取出相位差,由公式计算出深度信息。该芯片传感器结构与普通手机摄像模组所采用的CMOS图像传感器类似,但更复杂一些,它包含调制控制单元,A/D转换单元,数据处理单元等,因此ToF芯片像素比一般图像传感器像素尺寸要大得多,一般20um左右。也需要一个搜集光线的镜头,不过与普通光学镜头不同的是这里需要加一个红外带通滤光片来保证只有与照明光源波长相同的光才能进入。由于光学成像系统不同距离的场景为各个不同直径的同心球面,而非平行平面,所以在实际使用时,需要后续数据处理单元对这个误差进行校正。ToF相机的校正是生产制程中必不可少的最重要的工序,没有校正工序,ToF相机就无法正常工作。

 
TOF之应用领域

TOF 相机目前的主要应用领域包括:
物流行业:通过 TOF 相机迅速获得包裹的抛重(即体积),来优化装箱和进行运费评估;
安防和监控:进行 Peoplecounting 确定进入人数不超过上限;通过对人流或复杂交通系统的counting,实现对安防系统的统计分析设计;敏感地区的检测对象监视;机器视觉:工业定位、工业引导和体积预估;替代工位上占用大量空间的、基于红外光进行安全生产控制的设备;
机器人:在自动驾驶领域提供更好的避障信息;机器人在安装、质量控制、原料拣选应用上的引导;
医疗和生物:足部矫形建模、病人活动/状态监控、手术辅助、面部3D 识别;
互动娱乐:动作姿势探测、表情识别、娱乐广告

 
TOF相机特点

优点:
1.相对二维图像,可通过距离信息获取物体之间更加丰富的位置关系,即
区分前景与后景;
2.深度信息依旧可以完成对目标图像的分割、标记、识别、跟踪等传统应用;
3.经过进一步深化处理,可以完成三维建模等应用;
4.能够快速完成对目标的识别与追踪;
5.借助 CMOS 的特性,可获取大量数据及信息,对复杂物体的姿态判断极为有效;
6.无需扫描设备辅助工作
缺点:
1.相对于普通数码相机,其造价仍然偏高,影响该产品目前的普及使用率;
2.相机本身仍然受到硬件发展的限制,更新换代速度较快;
3.测量距离较常规测量仪器短,一般不超过 10 米;
4.测量结果受被测物性质的影响;
5.大多数机器的测量结果受外界环境干扰较为明显,尤其是受外界光源干扰;
6.分辨率相对较低;
7. 系统误差及随机误差对结果影响明显,需要进行后期数据处理。
 

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