ADI從軟硬件入手打造ToF高性能開(kāi)發(fā)平臺，加速走向更多創(chuàng )新應用落地場(chǎng)景

游戲玩家在游戲設備前徒手對空做著(zhù)各種動(dòng)作，輕松扮演各種虛擬世界的游戲角色；各色機器人在各種場(chǎng)景中自主導航，輕松避障快速移動(dòng)實(shí)現自主清掃、快遞或巡視等多種特定目標任務(wù)；卡車(chē)司機在午后昏昏欲睡之際，在駕駛艙不斷傳來(lái)警示聲音下停下車(chē)來(lái)休息以保安全……這些都是在我們生活中越來(lái)越多的現實(shí)科技應用場(chǎng)景，而ToF（飛行時(shí)間法）正在成為這些眾多創(chuàng )新應用的關(guān)鍵賦能科技之一。

ToF從最初手機攝像端的潮流應用迅速走進(jìn)大眾視野，并在各個(gè)應用領(lǐng)域初顯崢嶸。據IHS Markit報告，基于ToF方案的多方面優(yōu)勢，預計2022年ToF市場(chǎng)規模將達到15億美元，占3D傳感市場(chǎng)的50%左右。ADI工業(yè)市場(chǎng)經(jīng)理李佳在近日面對媒體采訪(fǎng)時(shí)也認為，作為3D深度視覺(jué)領(lǐng)域三大主流方案之一，ToF技術(shù)除了應用在手機上之外，也在VR/AR手勢交互、汽車(chē)電子ADAS、安防監控以及新零售等多個(gè)領(lǐng)域都開(kāi)始大顯身手，有望推動(dòng)新一波3D智能感知應用創(chuàng )新。

ADI工業(yè)市場(chǎng)經(jīng)理李佳

生態(tài)蓬勃發(fā)展，推動(dòng)ToF技術(shù)新一波3D智能感知應用

眾所知周，ToF在與雙目和結構光對比中，最大的優(yōu)點(diǎn)在于測距，它的深度計算精度往往不隨距離改變而變化，而且基本都能夠保持在厘米級別。因此在包含大范圍運動(dòng)的場(chǎng)景下，ToF適用度非常高。2010年之前，ToF技術(shù)多應用于宇宙測量、高精顯微鏡等科研領(lǐng)域，隨著(zhù)發(fā)光元器件性能的大幅提高，自動(dòng)駕駛、VR/AR、工業(yè)機器人、物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)逐漸興起，進(jìn)一步帶動(dòng)了ToF應用市場(chǎng)發(fā)展?！熬湍壳岸?，ToF匹配度最高的應用場(chǎng)景包括自動(dòng)駕駛中行車(chē)環(huán)境的測距、感知，工業(yè)領(lǐng)域人機協(xié)同安全距離的監測，機器視覺(jué)，物流行業(yè)的體積、計算，機器人的導航等等，都充分了利用了ToF傳感器在精準定位和距離測算上的優(yōu)勢?！崩罴阎赋?。

脈沖式ToF是其中一種景深測量技術(shù)，為了精確同步光脈沖，每秒需要對數百萬(wàn)個(gè)像素執行這些計算，并且還要根據工作條件進(jìn)行調整，這對混合信號電路設計與應用而言極具挑戰，ADI是為數不多擁有技術(shù)專(zhuān)長(cháng)、可提供兼具高性能和成本效益的ToF解決方案的公司之一。在2014年，ADI開(kāi)始為國外某知名AR眼鏡定制ToF技術(shù)，該產(chǎn)品成功落地并實(shí)現人機交互和3D重建功能；2016-2017年，ADI ToF技術(shù)用于車(chē)內手勢識別；2018年，ADI ToF技術(shù)開(kāi)始與國內某品牌手機合作并成功批量上市……“到目前為止，ADI的ToF技術(shù)和產(chǎn)品不僅涵蓋了從工業(yè)、消費到汽車(chē)等，應用的邊界拓展仍在繼續，未來(lái)更大空間、更高分辨率深度數據與強大的分類(lèi)算法以及AI相結合，將會(huì )解鎖更多新的場(chǎng)景?！崩罴驯硎?。

ADI ToF方案應用發(fā)展時(shí)間軸

在過(guò)去一段時(shí)間內，ToF應用逐漸呈現出加速落地的態(tài)勢。如SLAM（同步定位與建圖）對在機器人的自主定位和導航中開(kāi)始發(fā)揮主動(dòng)作用，有效推動(dòng)了人機交互的實(shí)現；ADI所開(kāi)發(fā)的ToF模塊結合影像傳感器和VGA ToF傳感器模塊與內建圖像處理器方案，為汽車(chē)倒車(chē)系統、開(kāi)門(mén)防護系統、停車(chē)輔助系統及盲點(diǎn)偵測等應用提供更大范圍的碰撞偵測預防。 “要更進(jìn)一步提升ToF技術(shù)的行業(yè)大規模應用，始終需要上中下游產(chǎn)業(yè)鏈伙伴們一起配合，包括光學(xué)、電、芯片級、電路級以及模組廠(chǎng)等，甚至還有一些應用需要專(zhuān)業(yè)團隊來(lái)開(kāi)發(fā)、適配整個(gè)方案?！?李佳指出。據悉，ADI已經(jīng)和Arrow推出了3D飛行時(shí)間開(kāi)發(fā)套件，并與遠景智能等多家軟件方案公司合作推出滿(mǎn)足豐富應用場(chǎng)景的完整解決方案。

ADI ToF產(chǎn)業(yè)鏈

ADI ToF模擬前端核心芯片解析，構筑精確測量硬件平臺

通常而言，ToF技術(shù)根據調制方法的不同，可以分為兩種：脈沖調制和連續波調制。兩種ToF調制方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據實(shí)際應用用例綜合考量的點(diǎn)包括測量距離、使用系統的環(huán)境、精度要求、熱/功耗限制、外形大小以及電源問(wèn)題等。據李佳介紹，ADI的ToF解決方案目前主要采用CCD傳感器的脈沖原理方式，CCD作為一個(gè)全局曝光器件，在室外遠距離場(chǎng)景下，具有非常良好的性能。同時(shí)CCD作為全局曝光的傳感器，又是窄快門(mén)曝光，對于外界抗干擾性能非常強。

戶(hù)外環(huán)境下CMOS ToF系統(850 nm光源)與ADI的CCD ToF系統在識別人與三腳架的效果對比。

具體來(lái)看，ADI的ToF解決方案使用了高性能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處理成深度/像素數據），以及高精度時(shí)鐘發(fā)生器（為CCD和激光器生成驅動(dòng)時(shí)序）的ToF模擬處理前端。ToF CCD主芯片ADDI903x系列具有很好的性能，傳感器將采集的光信號轉換成電信號，運用深度計算把最終距離信息送到SOC處理，然后將數據提供給算法適配，整個(gè)過(guò)程涉及傳感器、鏡頭、發(fā)射器件、平臺、應用等。對硬件廠(chǎng)商而言，需要和模組廠(chǎng)配合打造小型化、集成度高的產(chǎn)品來(lái)適配應用廠(chǎng)商，然后適應不同的應用場(chǎng)景。

ADI CCD ToF 前端芯片ADDI903x提供的功能

由于A(yíng)DI ToF系統級解決方案使用了分辨率為640×480的ToF圖像傳感器，因此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。同時(shí)，這款系統級ToF解決方案與CMOS解決方案相比，在同樣的尺寸或同樣的成本下，可提供更高的系統性能。例如高解析度，在光線(xiàn)復雜的環(huán)境中，可以更好的區分主體與背景。得益于針對940nm發(fā)光波段而設計的CCD架構，ADI ToF解決方案也可以更精確的捕捉運動(dòng)環(huán)境中的畫(huà)面。

除了前端芯片和傳感器外，根據CCD的需求也會(huì )需要比較多的光電器件，而ADI的ToF解決方案周邊器件均是ADI公司的產(chǎn)品?！癆DI ToF系統級解決方案不建議客戶(hù)在使用時(shí)進(jìn)行太多修改，因為該系統中的每一個(gè)模塊都是ADI長(cháng)期和合作伙伴磨合完成已達到的系統最佳整體性能狀態(tài)?！崩罴烟貏e強調道。

ADI ToF方案的完整系統組成

尋找并解決潛在技術(shù)痛點(diǎn)，探索ToF應用更廣路徑

越來(lái)越多的應用場(chǎng)景為T(mén)oF打開(kāi)了一個(gè)又一個(gè)風(fēng)口，但相關(guān)的挑戰也可能因而出現，例如同一場(chǎng)景下多個(gè)ToF應用終端如何避免干擾，特別是對于汽車(chē)、工業(yè)等這一類(lèi)的專(zhuān)業(yè)級場(chǎng)景，ToF傳感系統的設計不僅需要在精度、范圍、響應時(shí)間、分辨率、成本、功耗以及可用封裝要求之間取得平衡，而且需要針對不同的實(shí)際情況中出現的各種不可控的因素，對傳感系統的靈活性及抗干擾性等方面進(jìn)行一些定制化的設計，比如添加一些高可靠性的濾波及抗干擾器件和模塊，并加載相關(guān)的軟件算法，從而保證系統有足夠的能力去應對不同類(lèi)型的突發(fā)狀況。

試想如果多個(gè)自主式機器人在同一大型倉庫里分揀貨物，或者兩輛自動(dòng)駕駛的汽車(chē)同時(shí)接近交叉路口，ToF攝像頭無(wú)法消除相互光源的干擾，那么使用ToF技術(shù)進(jìn)行精確深度測量的應用范圍將會(huì )嚴重受限（ADI發(fā)展路線(xiàn)圖預計將實(shí)現64個(gè)攝像頭同時(shí)近程檢測的場(chǎng)景）。就算是在消費端，隨著(zhù)各種應用增多，設備間的干擾也將是實(shí)實(shí)在在的現實(shí)問(wèn)題。因此，ADI認為T(mén)oF系統中的防干擾或消除干擾能力將會(huì )越來(lái)越重要。據透露，ADI目前采用了一項正在申請專(zhuān)利的算法，它能夠避開(kāi)或消除所有無(wú)關(guān)的光信息，僅使用自身激光源的光信息，所以能給出正確的深度信息。深度處理器采用偽隨機化算法和特殊的圖像處理功能，可以消除多機干擾。因此，可以在同個(gè)環(huán)境中使用多個(gè)ADI ToF系統。

干擾抑制算法

除此之外，隨著(zhù)3D算法進(jìn)一步成熟，數據分析將被用來(lái)收集大量關(guān)于人們行為的有效信息，這種技術(shù)可能最先應用于樓宇控制應用，例如門(mén)禁系統。垂直安裝的傳感器增加了深度信息，這意味著(zhù)可以非常準確地計算人數。另一個(gè)用例是智能自動(dòng)門(mén)開(kāi)啟，它可以對人進(jìn)行區分，只有在檢測到真人時(shí)才開(kāi)啟。ADI目前也正在開(kāi)發(fā)人員計數和真人區分的軟件算法，通過(guò)使用深度信息，可以在許多具有挑戰性的條件下對人進(jìn)行高精度的分類(lèi)，例如在光線(xiàn)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，以及在人員著(zhù)裝復雜的情況下。最重要的是，幾乎可以消除人員計數錯誤。

使用深度傳感技術(shù)的人員跟蹤算法

本文總結

對于很多技術(shù)而言，技術(shù)的成熟度并非技術(shù)普及的唯一因素，還與技術(shù)的成本和產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同有很大的關(guān)系。在過(guò)去的2019年里，ToF技術(shù)不斷被領(lǐng)先手機廠(chǎng)商廣泛采用，在技術(shù)的演進(jìn)道路上走出了關(guān)鍵一步。未來(lái)如何通過(guò)技術(shù)手段去真正實(shí)現成本、功耗、體積、速度、壽命、穩定性以及抗干擾能力等多方面的平衡，達到一個(gè)相對目前來(lái)說(shuō)更為優(yōu)化的水平，進(jìn)而實(shí)現ToF技術(shù)實(shí)際應用中可靠性的成倍提升，是ToF技術(shù)普及乃至整個(gè)市場(chǎng)健康發(fā)展的前提，也是諸如ADI這類(lèi)ToF技術(shù)系統級解決方案提供商需要考慮的研究重點(diǎn)。