【導(dǎo)讀】在自動(dòng)駕駛、機(jī)器人導(dǎo)航和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等前沿科技領(lǐng)域，深度感知技術(shù)正成為實(shí)現(xiàn)空間認(rèn)知與智能交互的核心引擎。這項(xiàng)技術(shù)通過精確測(cè)量物體距離與空間關(guān)系，為機(jī)器賦予"立體視覺"，使3D 測(cè)繪、物體識(shí)別、空間感知成為可能。作為深度感知的關(guān)鍵技術(shù)路徑，iToF（間接飛行時(shí)間）技術(shù)通過發(fā)射調(diào)制光并分析反射信號(hào)相位差，在消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位。然而傳統(tǒng)iToF系統(tǒng)受限于探測(cè)距離與精度矛盾，始終難以突破30米應(yīng)用瓶頸。安森美最新技術(shù)突破或?qū)⒏膶戇@一格局，其創(chuàng)新方案通過光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化與信號(hào)處理算法革新，成功將iToF的有效探測(cè)距離延伸至30米級(jí)，同時(shí)保持毫米級(jí)測(cè)距精度，為工業(yè)檢測(cè)、智慧物流等長(zhǎng)距離場(chǎng)景打開全新可能。
在自動(dòng)駕駛、機(jī)器人導(dǎo)航和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等前沿科技領(lǐng)域，深度感知技術(shù)正成為實(shí)現(xiàn)空間認(rèn)知與智能交互的核心引擎。這項(xiàng)技術(shù)通過精確測(cè)量物體距離與空間關(guān)系，為機(jī)器賦予"立體視覺"，使3D 測(cè)繪、物體識(shí)別、空間感知成為可能。作為深度感知的關(guān)鍵技術(shù)路徑，iToF（間接飛行時(shí)間）技術(shù)通過發(fā)射調(diào)制光并分析反射信號(hào)相位差，在消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位。然而傳統(tǒng)iToF系統(tǒng)受限于探測(cè)距離與精度矛盾，始終難以突破30米應(yīng)用瓶頸。安森美最新技術(shù)突破或?qū)⒏膶戇@一格局，其創(chuàng)新方案通過光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化與信號(hào)處理算法革新，成功將iToF的有效探測(cè)距離延伸至30米級(jí)，同時(shí)保持毫米級(jí)測(cè)距精度，為工業(yè)檢測(cè)、智慧物流等長(zhǎng)距離場(chǎng)景打開全新可能。
安森美的 iToF 方案：Hyperlux? ID
常規(guī)的間接飛行時(shí)間 (iToF) 技術(shù)盡管潛力巨大，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨挑戰(zhàn)。為了解決這一難題，安森美開發(fā)了 Hyperlux ID 高性能 iToF 傳感器系列。該系列運(yùn)用先進(jìn)的像素和堆疊技術(shù)及多種特性，拓展了 iToF 方法的應(yīng)用范圍。下面介紹 iToF 的原理和 Hyperlux ID 感知系列的主要特性。
圖 1. Hyperlux ID 獲取的深度點(diǎn)云圖像
iToF 的原理
如前所述，間接飛行時(shí)間 (iToF) 法通過接收以特定頻率調(diào)制的照射光的反射波并計(jì)算相移來確定深度。為了確定相移，采用四個(gè)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，其相位分別偏移 0°、90°、180° 和 270°。因此，至少需要四次曝光才能獲得單個(gè)深度幀信息。
圖 2. iToF 計(jì)算
iToF 根據(jù)相移來計(jì)算距離。相位周期由調(diào)制頻率決定，相位具有周期性。當(dāng)與目標(biāo)的距離超過一個(gè)周期時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)相位模糊問題，即無法判斷測(cè)得的相位屬于哪個(gè)周期。例如，若調(diào)制頻率為 60MHz，則一個(gè)周期為 2.5 米。在這種情況下，測(cè)量距離 3 米將被解釋為 0.5 米。因此，最大可測(cè)量深度一般在調(diào)制頻率的一個(gè)周期以內(nèi)（0 至 2π）。
Hyperlux ID 的主要特性
提升分辨率和距離精度
安森美開發(fā)了名為 Hyperlux ID 的 iToF 傳感器系列。該系列包含AF0130 和 AF0131 兩款產(chǎn)品，具有 120 萬像素的高分辨率。此分辨率相當(dāng)于目前市面上大多數(shù) iToF 傳感器分辨率 (VGA) 的四倍，因而能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的測(cè)量。
此外，這些產(chǎn)品還支持像素合并。如果 VGA 分辨率足夠，那么將 120 萬像素進(jìn)行像素合并，可以提高 VGA 傳感器的靈敏度。距離分辨率取決于調(diào)制頻率。與市面上的常規(guī)方案相比，我們的產(chǎn)品可以使用相對(duì)較高的 200MHz 調(diào)制頻率。因此，我們的產(chǎn)品性能可擴(kuò)展，既支持短距離、高精度感知，也支持長(zhǎng)距離、高分辨率感知。
圖 3. 近距離高精度感知示例
集成深度計(jì)算功能（減小系統(tǒng)尺寸并降低成本）
常規(guī) iToF 傳感器不具備根據(jù)四個(gè)相位的曝光結(jié)果來確定深度距離的計(jì)算能力。確定深度距離的過程必須由外部 FPGA 或處理器執(zhí)行。這些 FPGA 或處理器將 iToF 傳感器輸出的每個(gè)相位的曝光結(jié)果存儲(chǔ)在幀存儲(chǔ)器中，并在收集到所有四個(gè)相位的數(shù)據(jù)后執(zhí)行深度計(jì)算。因此，客戶需要確保系統(tǒng)具備足夠的處理能力和存儲(chǔ)器來支持 iToF 計(jì)算。
我們的新產(chǎn)品 AF0130 集成了深度計(jì)算功能。客戶無需準(zhǔn)備大量的處理資源，系統(tǒng)也得以簡(jiǎn)化。如果之前使用了 FPGA 等專用計(jì)算器件，那么現(xiàn)在可以移除這些器件，有助于減小攝像頭的外形尺寸。如果過去使用了高性能處理器，現(xiàn)在可以將計(jì)算資源分配給其他應(yīng)用，或者換用更具成本效益的處理器。當(dāng)分辨率較高時(shí)，我們的新方案會(huì)更加有效。
iToF 需要至少四個(gè)相位的數(shù)據(jù)，因此與常規(guī)圖像傳感器相比，它會(huì)產(chǎn)生四倍以上的數(shù)據(jù)輸出。由于計(jì)算在 iToF 傳感器端進(jìn)行，數(shù)據(jù)速率可以顯著降低。它還能提升電路板設(shè)計(jì)的靈活性。此外，如果客戶希望使用自己的計(jì)算算法，我們還提供未集成計(jì)算功能的 AF0131。
減少運(yùn)動(dòng)偽影
常規(guī) iToF 傳感器在每次相位曝光后，都會(huì)將數(shù)據(jù)讀出到外部處理器。從第一次 φ0 曝光到 φ270 曝光完成，需要一定的時(shí)間。如果目標(biāo)物體在此期間移動(dòng)，則感知結(jié)果中會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偽影。Hyperlux ID 內(nèi)置存儲(chǔ)器，可以保留必要的相位數(shù)據(jù)。這里的技術(shù)突破在于，所有四相信息都直接存儲(chǔ)在像素中。曝光結(jié)果原封不動(dòng)地存儲(chǔ)在像素存儲(chǔ)器內(nèi)。因此，下一相位曝光可以在很短的時(shí)間內(nèi)開始，從而減少了四個(gè)相位的總曝光時(shí)間，運(yùn)動(dòng)偽影得以大幅減少。
圖 4. 減少運(yùn)動(dòng)偽影機(jī)制（1 幀）
長(zhǎng)深度距離和高環(huán)境光抑制
· 雙頻模式：常規(guī) iToF 傳感器的典型感知范圍為 5 到 10 米左右，而且由于易受環(huán)境光干擾，因此通常僅限于室內(nèi)使用。前面提到過，iToF 可測(cè)量的深度范圍一般為調(diào)制頻率的一個(gè)周期。為了擴(kuò)大測(cè)量范圍，可以使用融合兩種調(diào)制頻率的方法。由于使用兩個(gè)調(diào)制頻率，因此可以區(qū)分的最大距離為這兩個(gè)頻率的最小公倍數(shù)。這種方法由來已久，但常規(guī) iToF 傳感器處理四個(gè)相位時(shí)，要求每幀改變一次調(diào)制頻率，再由系統(tǒng)合并。結(jié)果，最終的幀速率會(huì)減半，創(chuàng)建單個(gè)深度幀的曝光時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。Hyperlux ID 有能力在單幀內(nèi)處理兩個(gè)調(diào)制頻率，因此無需外部處理，幀速率不會(huì)降低。此外，通過使用像素存儲(chǔ)器，兩個(gè)調(diào)制頻率的八個(gè)相位曝光所需的時(shí)間可以縮短。因此，不僅感知范圍得到擴(kuò)大，而且運(yùn)動(dòng)偽影也得以有效減少。（不過，此款產(chǎn)品使用雙頻時(shí)的最大分辨率為 VGA。）
圖 5. 雙頻模式
· 提高靈敏度：假設(shè)用于發(fā)射的激光是 940nm 波段的激光。在該頻段，常規(guī) iToF 產(chǎn)品的典型 QE（量子效率）為 20% 至 30%，但 Hyperlux ID 得益于安森美先進(jìn)的像素技術(shù)，已達(dá)到 40% 以上。隨著測(cè)量距離增加，反射波的能量減小，因此靈敏度的改善非常有助于提高深度測(cè)量距離和精度。此外，在雙頻下，由于像素合并，最大分辨率變?yōu)?VGA，但這也改善了傳感器靈敏度，有助于提高深度測(cè)量距離和精度，就像 QE 一樣。
· 增強(qiáng)環(huán)境光抑制：一般來說，iToF 容易受到陽光等環(huán)境光的干擾。發(fā)射激光以外的光源也會(huì)影響測(cè)量，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，iToF 通常僅限于室內(nèi)使用。我們的產(chǎn)品增強(qiáng)了環(huán)境光抑制能力。即使在陽光下，它也能獲得準(zhǔn)確的深度結(jié)果。
圖 6. 環(huán)境光抑制效果
混合模式：常規(guī) iToF 傳感器使用調(diào)制的連續(xù)光波，要求快門在測(cè)量期間保持打開，而這會(huì)導(dǎo)致環(huán)境光成分不斷在像素中積累。此外，若要測(cè)量更遠(yuǎn)的目標(biāo)，必須提高激光功率。在這種情況下，激光能量非常強(qiáng)，會(huì)照射到附近的目標(biāo)上，產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射光，可能導(dǎo)致像素飽和。因此，進(jìn)行大范圍測(cè)量非常困難。Hyperlux ID 采用了安森美的全局快門技術(shù)和專利混合技術(shù)。它使用基于測(cè)量距離的專門調(diào)制，并且僅在必要時(shí)打開全局快門，從而有效減少了環(huán)境光成分的積累。這樣可以最大限度地利用像素靈敏度，實(shí)現(xiàn)從近距離到遠(yuǎn)距離的寬范圍測(cè)量。目前，室內(nèi)和室外都能獲得超過 30 米的測(cè)量結(jié)果。
圖 7. 30 米長(zhǎng)距離模式，室內(nèi)和室外場(chǎng)景
Hyperlux ID 間接飛行時(shí)間 (iToF) 技術(shù)的應(yīng)用
Hyperlux ID 提升了距離感知的分辨率和精度，無論近距離還是遠(yuǎn)距離（最遠(yuǎn) 30 米），都能實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的測(cè)量，通過應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、消費(fèi)領(lǐng)域的各種深度感知場(chǎng)景，有助于提高深度感知性能。
圖 8. 應(yīng)用示例
綜上所述，安森美的高性能 iToF 產(chǎn)品系列作為全新 Hyperlux ID 系列的一部分，顛覆了關(guān)于 iToF 方法的傳統(tǒng)觀念。 該系列產(chǎn)品拓寬了 3D 感知的應(yīng)用范圍，并有助于提升工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、安防等眾多領(lǐng)域的自動(dòng)化水平。
作者：安森美
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