何謂飛行時(shí)間（ToF）？飛行時(shí)間（ToF）：助力實(shí)現(xiàn)三維體驗(yàn) 讓創(chuàng)意起飛

我們已習(xí)慣使用Microsoft Teams、Zoom和Google Meet來改善遠(yuǎn)程會(huì)議體驗(yàn)。但即便如此，所有這些互動(dòng)仍然局限于第二維度，無法帶給我們真正沉浸式、生活化的三維體驗(yàn)。

盡管當(dāng)前元宇宙、AR/VR，甚至全息傳送（高質(zhì)量的三維人物模型，能夠在全球任意位置進(jìn)行實(shí)時(shí)重構(gòu)和傳輸）掀起了一股熱潮，但距離實(shí)現(xiàn)最終的跨越現(xiàn)實(shí)型耳機(jī)，我們還有很長的路要走。

將二維互動(dòng)轉(zhuǎn)換為沉浸式的三維互動(dòng)頗有難度，需要融合多項(xiàng)技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。雖然3D顯示屏和空間音頻內(nèi)容已獨(dú)立存在了一段時(shí)間，但它們只是靜態(tài)的，需要固定的觀看和收聽位置。在橋接現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字世界這一領(lǐng)域，3D飛行時(shí)間（ToF）技術(shù)已進(jìn)入下一階段，通過將靜態(tài)的三維互動(dòng)轉(zhuǎn)換為能夠感知情境的沉浸式互動(dòng)，可動(dòng)態(tài)適應(yīng)所有環(huán)境類型（人與人的遠(yuǎn)程互動(dòng)、人機(jī)互動(dòng)或機(jī)器與機(jī)器的互動(dòng)）中的用戶情境和機(jī)器情境。

從小學(xué)到研究生院——智能設(shè)備的發(fā)展

分析師的報(bào)告，2021年全球智能家居設(shè)備的交付量增長了近12%，該項(xiàng)研究還預(yù)測，到2026年，其交付量將保持兩位數(shù)增長。消費(fèi)者現(xiàn)在期望所有設(shè)備都能不斷發(fā)展，更具智能且無需接觸也能操控，包括燈泡、家用設(shè)備、電視、汽車等等。

+12%

2021年度智能家居設(shè)備的增長率

在過去10年，智能家居不斷發(fā)展，智能的定義也是如此。基礎(chǔ)的智能設(shè)備一般都很簡單——都需要聯(lián)網(wǎng)、受到控制或監(jiān)測，例如掃地機(jī)器人。更先進(jìn)一些的智能設(shè)備能夠感知周圍環(huán)境。它們可能還啟用了GPS，例如，當(dāng)您進(jìn)入一定范圍內(nèi)，會(huì)自動(dòng)為您打開家中的暖氣，無需您觸摸按鈕或屏幕。

甚至，更智能的設(shè)備能夠傾聽您的語音指令，并理解其中的意思，提供一定水平的個(gè)性化體驗(yàn)。例如，您家中使用的智能揚(yáng)聲器還能充當(dāng)智能管家，當(dāng)您準(zhǔn)備睡覺時(shí)，幫您降下窗簾、調(diào)暗燈光、調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，并播放舒緩的音樂。

下一次智能革命會(huì)賦予智能設(shè)備另一項(xiàng)人類感知——視覺。這些設(shè)備能夠檢測和分析我們周圍的環(huán)境，然后根據(jù)分析結(jié)果做出決定。這些設(shè)備背后的支持技術(shù)是景深測量，這是實(shí)現(xiàn)飛行時(shí)間（ToF）的關(guān)鍵使能因素。

何謂飛行時(shí)間（ToF）？

飛行時(shí)間（ToF）攝像機(jī)向物體發(fā)射光束，該光束會(huì)反射至傳感器，攝像機(jī)測量發(fā)射光束與反射光線被傳感器接收之間的時(shí)間延遲，由此測量與物體之間的距離。這個(gè)過程與超聲波類似，后者通過聲音，而非光線來測量距離，雷達(dá)則通過無線電波來測量距離。與超聲相比，飛行時(shí)間（ToF）攝像機(jī)能夠更快生成具有高（深度）精度的高分辨率深度圖（空間分辨率與RGB攝像機(jī)相當(dāng)），且能覆蓋更大范圍——畢竟，光速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聲速。雖然雷達(dá)的探測距離更遠(yuǎn)，但飛行時(shí)間（ToF）的準(zhǔn)確性與分辨率均更勝一籌。

我們主要采用兩種方法來測量飛行時(shí)間（ToF）的時(shí)延：間接飛行時(shí)間（ToF）（iToF）和直接飛行時(shí)間（ToF）（dToF）：

間接ToF和直接ToF

iToF系統(tǒng)使用連續(xù)波（CW）方法，該方法測量發(fā)送和接收的光脈沖之間的相移。

dToF攝像機(jī)使用基于脈沖的方法，該方法測量發(fā)射的脈沖和接收的光脈沖之間的經(jīng)過時(shí)間。使用CW iToF圖像傳感器的優(yōu)勢之一：它們基于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)，能夠以經(jīng)濟(jì)的成本實(shí)現(xiàn)高像素密度的短程成像。

ToF讓設(shè)備能夠感知環(huán)境，并據(jù)此作出更明智的決定——從根據(jù)室內(nèi)人數(shù)來調(diào)節(jié)室溫，到根據(jù)購物體驗(yàn)識(shí)別人們感興趣的商品。

選擇iToF，還是dToF深度成像系統(tǒng)，最終要看應(yīng)用需求和使用環(huán)境。iToF適用于需要高空間分辨率的短程成像（0.5米、5米和10米）。dToF更適合對空間分辨率要求不高的遠(yuǎn)距離成像。人工智能（AI）和光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)使得選擇iToF技術(shù)和dToF技術(shù)的分界線不再那么清晰明確。在能感知環(huán)境的智能邊緣系統(tǒng)中，iToF和dToF傳感器都與RGB圖像和慣性傳感器集成，并在AI的助力之下提升性能，消除偽影。

就像鼠標(biāo)改變了計(jì)算機(jī)交互，觸摸屏技術(shù)推動(dòng)了智能手機(jī)和平板電腦的普及一樣，飛行時(shí)間（ToF）技術(shù)正在助力實(shí)現(xiàn)非接觸式3D交互。在推動(dòng)工業(yè)4.0發(fā)展方面，飛行時(shí)間（ToF）技術(shù)具有類似效用。從用于質(zhì)量檢測的工業(yè)機(jī)器視覺，到用于資產(chǎn)管理的體積檢測，再到推動(dòng)自主（設(shè)備）生產(chǎn)的導(dǎo)航技術(shù)，制造行業(yè)開始采用這些傳感技術(shù)，并逐步轉(zhuǎn)向適合惡劣工業(yè)環(huán)境的高分辨率系統(tǒng)。

但是，飛行時(shí)間（ToF）技術(shù)從哪些方面改變了我們的日常生活？如今，有哪些技術(shù)突破能夠與彩電或個(gè)人計(jì)算機(jī)媲美？

人機(jī)接口：飛行時(shí)間（ToF）應(yīng)用

目前，我們周圍采用飛行時(shí)間（ToF）技術(shù)的應(yīng)用層出不窮，從汽車座艙安全，到家庭運(yùn)動(dòng)設(shè)備，再到游戲和畫面逼真的3D遠(yuǎn)程協(xié)作。飛行時(shí)間（ToF）技術(shù)的未來應(yīng)用之一是自動(dòng)駕駛汽車中，作為雷達(dá)、LIDAR和其他深度傳感器的補(bǔ)充。

以下是巧妙使用飛行時(shí)間（ToF）技術(shù)的一些場景，它們讓我們的生活更美好、更安全，更有樂趣：

3D遠(yuǎn)程協(xié)作

ToF將硬件和軟件的技術(shù)進(jìn)步相結(jié)合，讓朋友、家人和同事覺得他們仿佛是在一起，即使他們相隔甚遠(yuǎn)。在參加沉浸式3D會(huì)議時(shí)，您不再受扁平的2D圖像限制，您能看到和真人一般大小的三維人像，仿佛他們真的和您身處同一房間。

座艙/汽車輔助駕駛技術(shù)

飛行時(shí)間（ToF）技術(shù)助您感受使用先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的樂趣，該技術(shù)提供人臉和運(yùn)動(dòng)監(jiān)測，能夠檢測駕駛員是否打瞌睡，或者提醒您車輛已偏離路線。手勢控制技術(shù)讓駕駛員能夠在視線不離道路的情況下接聽電話、切換音頻或調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度。

家庭運(yùn)動(dòng)設(shè)備

居家健身行業(yè)不斷發(fā)展，除了在線動(dòng)感單車和瑜伽課程之外，現(xiàn)在還包含智能健身鏡。當(dāng)內(nèi)置的虛擬教練為您提供深蹲指導(dǎo)時(shí)，實(shí)際是他腦中的飛行時(shí)間（ToF）技術(shù)在發(fā)揮作用。

家庭影院

飛行時(shí)間（ToF）技術(shù)讓您的家庭影院系統(tǒng)非常智能，能夠動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)聲音均衡，以補(bǔ)償觀眾位置變化或環(huán)境改變的情況，例如增添了新家具。

購物

在線購物已經(jīng)變得非常簡單和便捷，使很多不愿前往實(shí)體店的購物者，也能親身查看自己感興趣的物品。飛行時(shí)間（ToF）技術(shù)讓您能夠使用手機(jī)測量空間環(huán)境，并重新規(guī)劃您的房間布局，或者，先由您的三維人像試穿衣服，再?zèng)Q定是否購買。

游戲和元宇宙

通過佩戴AR/VR耳機(jī)，人們能夠基于飛行時(shí)間（ToF）系統(tǒng)獲取的深度信息，通過手勢跟蹤與置于真實(shí)世界中的虛擬物體進(jìn)行交互，更準(zhǔn)確地連接真實(shí)世界和數(shù)字世界，從而獲得沉浸式體驗(yàn)。

智能工廠

ToF技術(shù)助力實(shí)現(xiàn)的機(jī)器視覺是推動(dòng)實(shí)現(xiàn)靈活、自適應(yīng)生產(chǎn)配置的關(guān)鍵因素。這讓人與機(jī)器能夠安全協(xié)作，幫助提高生產(chǎn)力、不斷提升質(zhì)量，充分挖掘工廠的產(chǎn)能。

ADI的飛行時(shí)間（ToF）技術(shù)，讓創(chuàng)意起飛

如果以當(dāng)前的速度繼續(xù)加速創(chuàng)新，那么在未來的十年或二十年，我們將迎來另一場改變生活方式的創(chuàng)新浪潮。深度傳感器和成像技術(shù)的廣泛應(yīng)用可能帶來超出我們想象的智能設(shè)備，或者會(huì)出現(xiàn)全新的技術(shù)，讓智能鏡和AR耳機(jī)變得和掃地機(jī)器人一樣平常。

ADI幫助客戶共同打造新品，并充分利用智能邊緣見解，包括飛行時(shí)間（ToF）系統(tǒng)解決方案。ADI先進(jìn)的飛行時(shí)間（ToF）成像傳感器與完整的系統(tǒng)解決方案配合，將數(shù)據(jù)處理、激光驅(qū)動(dòng)器、電源管理和軟件/固件集成到同一設(shè)備中，以實(shí)現(xiàn)下一代智能邊緣解決方案。

來源 ：ADI 公司高級首席工程師 Eoin English