Time of Flight[ToF]技術簡介
劉延 于 2018.07.04 23:56:39 | 源自:www.soomal.com | 版權:投稿 | 平均/總評分:09.21/129
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    • 6月26日,在2018世界移動通信大會上海站上,vivo推出了TOF(Time of Flight)3D超感應技術。 TOF 3D超感應技術可感應30萬個有效深度資訊點,是3D結構光技術的10倍,工作距離可達3米,是結構光技術的3倍,TOF模組的baseline(基線)近乎為零,比結構光技術的25mm有大幅提升。

      官方介紹,這項技術利用傳感器測量目標物距離和輪廓,實現手機對高精度3D資訊的采集和運算,具有有效深度資訊高、工作距離遠、結構布局靈活、應用場景豐富等亮點。 TOF 3D超感應技術已成功支援微信人臉識別支付,預計在2018年下半年投入商用。屆時vivo將是國內首家支援微信人臉識別支付的手機廠商,同時也是國內首家支援微信熒幕指紋支付的手機廠商。

      其實Soomal測評很多搭載ToF傳感器的裝置[華為、LG、HTC有多款手機型號使用了ToF技術],只是過去ToF主要用途是拍攝時畫面和對焦,終端廠商極少強調和宣傳。今天我們就聊聊ToF技術的工作方式以及消費電子裝置中的應用。

      什么是ToF

      ToF是Time of Flight的縮寫,有的翻譯稱之為飛行時間。這種成像技術通過向目標發射連續的特定波長的紅外光線脈沖,通過特定傳感器接收待測物體傳回的光訊號,計算光線往返的飛行時間或相位差得到待測物體的3D深度資訊。TOF相機的亮度圖像和深度資訊可以通過模型連接起來,迅速精準地完成人臉匹配和檢測 。

      TF的硬體組成有:

      發光單元:發光單元通常為能發出特定波長紅外線的VSCEL,VSCEL能以相對較小功率發射出較高的訊號。

      光學鏡頭及濾光片:用于收集反射回的光線。濾光片只允許對應波長的紅外線通過,抑制其他光線,并降低噪聲。

      圖像傳感器:ToF相機的核心部件,接收反射回來的光線,負責測量每個畫素點光線從發光元件到目標物體再反射回傳感器的時間。

       

      ToF的優勢

      ToF和iPhone X所使用的結構光技術有何區別,又有什么優勢?iPhone X的結構光是首先利用激光器將鏡片上的點陣或固定圖案投射在人臉上,然后拍攝紅外圖像,通過點陣或圖像的形變,計算出深度資訊,進而識別3D臉部資訊。

      而ToF是通過特殊的傳感器,通過計算發射出去的紅外線激光來回的時間得到被攝物體深度資訊,進而識別3D資訊。

      相較于結構光技術,ToF的設計更靈活,可通過改變光源強度能實現不同范圍的3D成像;而通過調整發射器脈沖頻率,就可以調整相應的信噪比以適應不同的精度要求或應用環境。ToF的激光發射器也相對簡單,只需發射出特定波長的高頻脈沖激光即可。而結構光必須通過特殊的光學鏡片,投射出相應圖案,通過計算才能得到深度資訊。

      ToF如何讓深度資訊量達到結構光的10倍? 在去年十二月,索尼推出了一款背照式ToF測距傳感器 ,廠商稱該傳感器較前代產品測距性能進一步提高,同時體積減小,僅為1/2英寸,并擁有VGA解析度,索尼將從2018年4月開始出貨樣品。索尼將采用了測距技術的測距傳感器統稱為DepthSense系列,此次是首次將背照式ToF技術應用于DepthSense系列產品。
      VGA解析度為640*480,差不多就是30萬畫素。而此前市場也有過傳言稱vivo有望于今年推出后置ToF方案的手機,模組廠為信利,ToF Sensor為松下,驅動晶片及算法由ADI提供。后續索尼將于今年8月份推出全新的ToF Sensor,預計會成為未來的主流方案。 因此,vivo有較大概率采用的是索尼新出來的ToF傳感器,配合更高效率的激光發射器,實現比現有手機結構光精度更高、工作距離更遠的3D感知方案。

       

      ToF在消費電子上的應用
      測距:ToF在測距上的應用主要包括輔助對焦、前置距離傳感器和避障。


      激光對焦:手機中第一批ToF相機的應用,是“激光對焦”,具體機型包括:華為P9,V8,聯想 moto g4+, HTC M10, 還有LG的非常多款手機。激光對焦利用了ToF傳感器的測距能力,例如LG的G3手機就采用了激光對焦。在攝像頭旁邊有個暗紅色的半透明發射窗口,當對焦時,里面會發射出測距激光。原理非常簡單,通過測距激光,快速的定位焦點。
      ToF傳感器成本算不上高,未得到普及主要問題在于發射功率偏低,導致對焦范圍受限。大部分激光對焦均采用了來自意法半導體的兩款ToF傳感器,通過查閱技術文檔可知,這兩款傳感器的有效范圍均在2米以內。超過這個范圍,將回歸到傳統的反差對焦或相位對焦模式。隨著傳感器技術的進步,后置攝像頭激光對焦也逐漸消失在我們的視線中。

      距離傳感器

      財大氣粗的蘋果就不一樣了。根據Chipworks、上海微技術工研院等多個渠道的的拆解和分析,蘋果從iPhone 7系列開始,前置距離傳感器采用了一塊類意法半導體的ToF傳感器。蘋果使用這款距離傳感器,用來測量打電話時人臉距離的遠近,進而選擇開關熒幕。此外,Chipworks還猜測,這款傳感器也可能用作前置攝像頭的輔助對焦對焦。

       

      無人機、無人駕駛避障


      在Spark上,大疆使用了ToF攝像頭用作避障與手勢資訊識別。上圖中,攝像頭上方區域就是ToF攝像機。 通過小型深度相機不斷采集三維空間里的手勢視覺資訊。采集到的這些手勢圖像傳輸給飛行器 CPU 進行運算分析,完成后給飛行器發送特定的指令。

      3D動作捕捉與識別
      Kinect 2是ToF在動作識別領域應用的典型。Vivo這次在MWC上,同樣也展示了ToF用于動作捕捉與識別的功能,將手機作為捕捉入口,與大屏游戲交互。

      AR\VR\MR應用開發中的3D建模

      谷歌的AR技術Tango Project與系列部分機型采用ToF技術進行場景3D建模,包括上圖所示的Project Tango原型機、聯想Phab 2 Pro、華碩ZenFone AR等。微軟也不會放棄來自Kinect 2中的ToF技術,微軟的MR裝置里,用于場景3D建模的技術,同樣也是ToF。此外,根據供應鏈消息,蘋果一直沒有放棄在后置攝像頭上使用ToF傳感器,用作3D建模。

      總結

      不同廠商和裝置的ToF在硬體實現上大同小異:使用ToF傳感器生成深度數據,使用紅外傳感器獲得紅外資訊,使用RGB傳感器獲得色彩資訊,以聯想的Phab 2 Pro為例,這款AR手機具有復雜的環境感知功能,其3D攝像頭中的傳感器包括英飛凌(Infineon)、PMD飛行時間(ToF)傳感器、豪威科技(OmniVision)近紅外全局快門圖像傳感器、三星(Samsung)RGB圖像傳感器等。
      其實ToF傳感器在手機上并不是什么新鮮事物,“激光對焦”曾一度在手機市場流行;也有蘋果手機、平板等裝置用于距離傳感器;谷歌在Project Tango的探索中,也嘗試過使用ToF方案進行3D建模。但用于3D人臉識別,vivo將是頭一個,它展示了人臉識別、人臉支付等安全認證領域一個全新技術規范和標準,指紋識別將不再是全面屏手機的難題,而且相對于指紋圖來說,人臉的景深資訊3D數據既不是完整的照片,也無法打印。非法利用的難度更高,對于移動支付等安全領域也將比指紋更為安全。

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203.206.220.***
203.206.220.***
發表于2018.09.22 11:04:56
49
查了資料,Tof使用的是"近紅外波段"不是"熱成像"之前說的"熱成像"不對,先道歉,
鏈接是來自慕尼黑技術大學的教案
http://campar.in.tum.de/twiki/pub/Chair/TeachingSs11Kinect/2011-DSensors_LabCourse_Kinect.pdf

ps 不是沒好好看開頭那一句,而是太仔細看才會提出疑問....您看看教案里的圖,解釋的更清楚...

總之這篇是很好的引路文,謝謝了
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發表于2018.09.09 11:54:05
48
111.205.043.***
111.205.043.***
發表于2018.08.27 18:55:20
47
03
ToF是Time of Flight的縮寫,有的翻譯稱之為飛行時間。這種成像技術通過向目標發射連續的特定波長的紅外光線脈沖,通過特定傳感器接收待測物體傳回的光訊號,計算光線往返的飛行時間或相位差得到待測物體的3D深度資訊。

和熱成像沒什么關系。

具體圖像算法可以參考舜宇光學的公眾號
7931修改此貼于2018.07.31 11:40:57
發表于2018.07.31 11:38:26
46
114.095.230.***
114.095.230.***
發表于2018.07.31 11:16:24
45
221.004.034.***
221.004.034.***
發表于2018.07.28 20:48:07
44
061.136.***.***
061.136.***.***
密集恐懼癥都發了
發表于2018.07.24 22:52:12
43
八成采用了其他傳感器的輔助數據,因為不用陣列發射器就不存在參考點,那么等于是連續圖像比對(只不過是連續比對熱像圖),Kinect 2我做過開發,在背景熱環境不穩定的地方誤差比較大,不知道這個ToF有什么黑科技

整理下(不知道理解有沒有錯):
0.普通激光對焦=機械掃描雷達...

1.蘋果face id原理類似相控陣雷達,利用陣列發射器射出激光形成光矩陣點,然后讀取光點,測量亮度\位置,用軟體計算深度...因為是"陣",所以發射端不移動,讀取端只需要一個接收頭即可.......并且激光抗干擾能力強(因為亮)

2.ToF發射的是紅外線,發射端應該是單頭(或多頭但是每次只啟用一個),在一段時間內連續發射N個不同頻段的光波,接受端連續拍攝N張熱像圖,用算法比對熱像圖計算深度:算法原理應該是利用了不同波長在粗糙表面反射率不一樣...有點像連續熱成像錄像機.但是修正并參考了溫度資訊,拼的是CPU或者協處理器
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發表于2018.07.14 23:13:31
42
114.032.028.***
114.032.028.***
發表于2018.07.12 10:12:19
41
03
手持初代ToF機路過
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發表于2018.07.10 19:24:11
39
真是笑出了我的后槽牙,蘋果,谷歌,華為是科技公司,共通點是公司組成部分里都有很重要一塊業務就是手機,我說的也是跟手機有關的技術,然后你跟我提什么嬰兒車?我的天啦,我們不在一個頻率里,也可能不在一個維度里。再見。
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發表于2018.07.09 16:36:32
38
03
你換個問法,為什么谷歌這種公司研發投入突破天際都搞不出來的東西,goodboy就搞出來了pocket嬰兒車。覺得自己邏輯有問題么
又不是打游戲,按照數據去點科技樹。如果越有錢投的公司就永遠牛逼,那全球應該現在是國號大宋或者大唐。
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發表于2018.07.07 13:25:07
36
180.172.***.***
180.172.***.***
同樣是tof,“激光對焦”相比現在vivo宣傳的差異在于一個近乎是單點,一個是面陣。面陣上每個點都增加了距離資訊,就是3D的世界了。。
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發表于2018.07.06 22:40:34
35
03
難道vivo的技術研發已經突破天際了?
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發表于2018.07.06 15:17:11
34
171.010.158.***
171.010.158.***
發表于2018.07.05 23:22:10
33
110.053.240.***
110.053.240.***
發表于2018.07.05 23:07:32
32
是你是你就是你,VIVO家的小哪吒。
我就是想了解一下,如果蘋果,谷歌,華為這種研發投入突破天際的公司沒做到的事,偏偏讓VIVO做到了的可能性有多大呢?蘋果已經有了一個ToF了,為什么不用已存在的ToF做識別呢?還要去搞個大劉海結構光?

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發表于2018.07.05 22:37:39
30
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