作為智能手機的三大創(chuàng )新之一，3D ToF深度傳感技術(shù)依靠體積小、誤差低、直接輸出深度數據與抗干擾性強等優(yōu)勢，成為近年來(lái)智能手機上的關(guān)鍵創(chuàng )新亮點(diǎn)之一。
ToF技術(shù)解碼
ToF是Time of Flight的縮寫(xiě)，又稱(chēng)飛行時(shí)間法3D成像。這種成像技術(shù)通過(guò)向目標****連續的特定波長(cháng)的紅外光線(xiàn)脈沖，通過(guò)特定傳感器接收待測物體傳回的光信號，計算光線(xiàn)往返的飛行時(shí)間或相位差得到待測物體的3D深度信息，ToF相機的亮度圖像可以通過(guò)模型迅速連接起來(lái)。
相比3D深度視覺(jué)其它兩種方案（結構光與雙目立體成像技術(shù)）而言， ToF方案在實(shí)際應用中的優(yōu)勢顯著(zhù)。例如：在畫(huà)面拍攝后計算景深時(shí)不需要進(jìn)行后處理，既可避免延遲又可節省采用強大后處理系統帶來(lái)的相關(guān)成本；ToF測距規模彈性大，大多數情況下只需改變光源強度、光學(xué)視野以及****脈沖頻率即可完成；由于具有不易受外界光干擾、體積小巧、響應速度快以及識別精度高等多重優(yōu)勢，使得ToF無(wú)論是在移動(dòng)端還是車(chē)載等應用領(lǐng)域日漸成為3D視覺(jué)的首選技術(shù)方案。目前，ToF技術(shù)應用領(lǐng)域廣泛，包括：
消費電子：虛擬現實(shí)、人臉識別、體感交互等新零售：手勢識別、客流統計、行為識別等智能安防：人臉識別、行為分析等工業(yè)級自動(dòng)化：自動(dòng)避障、測量測距、感知定位等醫療電子：增強現實(shí)、遠程交互等汽車(chē)電子：輔助駕駛、人臉識別、手勢識別等
TOF測量原理
TOF飛行時(shí)間，即傳感器發(fā)出經(jīng)調制的近紅外光，遇物體后反射，傳感器通過(guò)計算光線(xiàn)****和反射時(shí)間差或相位差，來(lái)?yè)Q算被拍攝景物的距離，以產(chǎn)生深度信息，此外再結合傳統的相機拍攝，就能將物體的三維輪廓以不同顏色代表不同距離的地形圖方式呈現出來(lái)。
****的紅外光線(xiàn)被被測物體反射后回到傳感器，內置的計時(shí)器記錄其來(lái)回時(shí)間，然后即可計算出其距離。聽(tīng)起來(lái)好像和大家玩爛了的超聲波測距沒(méi)啥不同。但其實(shí)不然，超聲波測距對反射物體要求比較高，面積小的物體，如線(xiàn)、錐形物體就基本測不到，而TOF紅外測距完全可克服此問(wèn)題，同時(shí)TOF測距精度高，測距遠，響應快。
這種技術(shù)跟3D激光傳感器原理基本類(lèi)似，只不過(guò)3D激光傳感器是逐點(diǎn)掃描，而TOF相機則是同時(shí)得到整幅圖像的深度信息。
ToF的原理是通過(guò)光子的反射測距。傳統上是紅外測距，但紅外測距沒(méi)有計算時(shí)間差的能力，主要靠測光強，但打在黑色、白色等顏色物體上，由于材料本身的吸收度不同，也會(huì )影響測距效果，因此ST的FlightSense采用計算****和返回的光子時(shí)間差，即計算飛行時(shí)間(ToF)方案。另外在集成度上，ST的方案是****和接收都做在一起，而紅外測距往往是分立方案。
| 第一代 VL6180X | 第二代 VL53L0X | 第三代 VL53L1X |
| 測距 | 40cm | 2m | 4m |
| 激光器 | 850nm | 940nm | 940nm |
| 視場(chǎng)角 | 25° | 25° | 27° |
| 環(huán)境光感測 | 有 | 無(wú) | 無(wú) |
| 測距精度 | ±10mm | ±3% | ±1%
|
市面上有多家公司采用ToF方法，但主要采用相位測距法，主要用于工業(yè)，原理是脈沖計算法，但在波谷的能量就不測量了，會(huì )造成能量損失。
為何ST方案的測距角度都是25°?因手機鏡頭弧度是25°左右，所以市面上的產(chǎn)品往往是25~30°視角。FlightSense二代之所以是2米測距，因手機拍攝的理想距離是1.2~1.5米。
市面上有多家公司采用ToF方法，但主要采用相位測距法，主要用于工業(yè)，原理是脈沖計算法，但在波谷的能量就不測量了，會(huì )造成能量損失。
飛行時(shí)間(ToF)傳感系統是最有盈利空間的創(chuàng )新成像技術(shù)之一。市場(chǎng)上的主要消費類(lèi)產(chǎn)品制造商都希望在各種智能硬件中集成飛行時(shí)間(ToF)測距，以提供3D成像、接近感應、環(huán)境光感測、手勢識別等功能。
意法半導體在飛行時(shí)間(ToF)傳感方面潛心研究，而iPhone 7 Plus中的飛行時(shí)間(ToF)測距傳感器是意法半導體為蘋(píng)果公司定制的產(chǎn)品。
這款為蘋(píng)果定制的產(chǎn)品位于iPhone手機前面、主揚聲器上方，采用光學(xué)柵格陣列(LGA)封裝形式，尺寸為2.8mm x 2.40mm，小于意法半導體對外公開(kāi)銷(xiāo)售的任一款ToF傳感器。
蘋(píng)果iPhone 7 Plus拆解
ToF究竟是未來(lái)趨勢還是廠(chǎng)商套路
既然 TOF 的歷史已經(jīng)如此悠久，為啥近一年才成為消費電子的熱詞呢?
因為概念出現了混淆，如今熱議的 TOF 技術(shù)其實(shí)應該叫 TOF 3D 技術(shù)，屬于 3D 視覺(jué)技術(shù)的一種，目標是和 2D 相機配合建立物體和空間的立體模型，而之前的 TOF 只是點(diǎn)光源，只是用于測量前方物體距離有多遠而已，無(wú)論從實(shí)現目標還是復雜度來(lái)說(shuō)都不能相提并論。
此外，有關(guān) TOF 3D 的基本原理還是要再簡(jiǎn)單講一下，首先通過(guò)紅外光源，打出超短的脈沖信號，形態(tài)是面光，要求覆蓋整個(gè)視場(chǎng)范圍，然后通過(guò)紅外相機接收反射信號，在成像的同時(shí)也獲得了空間內每個(gè)點(diǎn)收發(fā)信號的時(shí)間差，最后通過(guò)光速計算出距離，就能搞定視場(chǎng)內整個(gè)空間的 3D 輪廓。
當然，理論都是很美好的，否則沒(méi)人會(huì )愿意推進(jìn)它們的實(shí)用化，尤其對大家伙們來(lái)說(shuō)，如今的產(chǎn)品做到了什么程度才是關(guān)鍵。
好在這件事分析起來(lái)不難，因為目前主流市場(chǎng)上用 TOF 3D 的產(chǎn)品也就三款，一個(gè)“前置”是 vivo NEX雙屏版，兩個(gè)后置，OPPO R17 Pro 和華為榮耀 V20。接下來(lái)我們逐個(gè)分析。
vivo NEX 雙屏版官方說(shuō)的很明確，TOF 就是拿來(lái)搞面部識別用的，和結構光一個(gè)玩法。模組上的合作伙伴是艾德諾半導體(ADI)，型號是 ADDI9036，鏡頭光圈 f/1.3，再就沒(méi)有其他的公開(kāi)資料。不過(guò)從 ADI 以往展出的產(chǎn)品來(lái)看，最近的是 ADDI9033，用于工業(yè)機械臂，sensor 分辨率是 VGA(640*480) 水準，這樣可以推知 9036 應該是 9033 的衍生版本。
其中值得一提的是，對于前置面部識別來(lái)說(shuō)，行業(yè)內主流的選擇是結構光，原因各家有多次科普，這里就簡(jiǎn)單提一下，即在正常使用距離(0.2-1.2m)，結構光的深度精度明顯比 TOF 更有優(yōu)勢，TOF 則需要更遠一些才能發(fā)揮。這很好理解，畢竟距離太近的話(huà)，精度需求也更細微，信號來(lái)回時(shí)間太短，甚至接近于信號本身的脈沖長(cháng)度，算起來(lái)誤差就會(huì )很大，而距離變長(cháng)的話(huà)，結構光實(shí)際有效的采集點(diǎn)會(huì )變少，單個(gè)斑點(diǎn)面積會(huì )變大，精度當然也會(huì )有明顯的損失。不過(guò)從實(shí)際產(chǎn)品來(lái)看，vivo NEX 至少接入了支付寶的面容支付，說(shuō)明安全性上用起來(lái)并沒(méi)啥問(wèn)題。
而在構造上，從實(shí)際產(chǎn)品來(lái)看，TOF 面部和結構光都是 3 個(gè)必需元器件，但不同在于，結構光需要點(diǎn)陣投影器和紅外相機拉開(kāi)一定的距離，因此它們在所有產(chǎn)品上都是分居左右兩側的，而 TOF 沒(méi)這種需求，因而相對來(lái)說(shuō)堆疊比較簡(jiǎn)單。
至于 vivo 官方所宣稱(chēng)的“TOF 精度是結構光的 10 倍”，則應該是指其 sensor 的 VGA 分辨率，640*480=307200 正好 30 萬(wàn)像素，是結構光 3 萬(wàn)個(gè)點(diǎn)陣的“10 倍”。不過(guò)這很顯然是偷換概念，畢竟結構光的點(diǎn)陣和 sensor 的分辨率并不能混為一談，真要論起來(lái)，結構光陣營(yíng)最低端的 OV9282 都有 100 萬(wàn)像素，數量碾壓 TOF，而高端 TOF sensor 用的 IMX456QL，單像素尺寸 10μm，反過(guò)來(lái)又碾壓了結構光普遍的 3μm，你說(shuō)這事該咋整?
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