手機(jī)已經(jīng)成為了人類器官的延伸。它拓展了我們信息獲取和處理的能力，它是我們的第二對耳朵、第二雙眼睛。

但是在過去很長一段時間里，手機(jī)這雙“眼睛”看到的都是一個平面的世界，而3D視覺技術(shù)，可以很好的解決這個問題，讓手機(jī)從平面視覺到立體視覺，目前行業(yè)中三種主流的3D視覺方案為：雙目立體視覺方案、3D結(jié)構(gòu)光方案、TOF方案，下面是3D視覺方案對比。

最近蘋果發(fā)布了新款 iPad Pro，最主要的硬件升級并非身后的“浴霸雙攝”，而是攝像頭旁搭載的dToF激光雷達(dá)，iPad Pro因此成為了蘋果 ToF技術(shù)的首發(fā)平臺。

ToF 技術(shù)中DTOF激光雷達(dá)更具優(yōu)勢

iPad Pro上所搭載的激光雷達(dá)（Light Detection And Ranging）其實和手機(jī)上采用的ToF攝像頭都屬于雷達(dá)技術(shù)，以飛行時間距離（Time of Flight，飛行時間）捕捉 3D 圖像。主要原理是利用雷達(dá)發(fā)射光波，光波遇到不可穿透物體會發(fā)生反射，通過記錄反射光到達(dá)接收器的時間，便能快速計算出光源與物體的距離，由此便得到一張被測物體的 3D 圖像。

但是，不同的雷達(dá)發(fā)射的光波都不一樣，所獲得的圖像分辨率和清晰度也有差別。

手機(jī)通常采用的 ToF 技術(shù)選用的雷達(dá)波長，發(fā)射的也屬于紅外面光源，接收到的是深度平面信息，成像精度有限，仍然無法捕捉高精度動 3D 圖像。而iPad Pro 選用的激光雷達(dá)，其發(fā)射的是脈沖紅外激光，接收單點位置，形成點云圖后再變成三維模型，精度更高。

▲ TOF 相機(jī)工作原理

▲通過ToF獲得的物體距離和深度信息圖

此外，激光雷達(dá)發(fā)射的光波存在兩種調(diào)制方式：直接飛行時間（Direct-ToF）測量和間接飛行時間（Indirect-ToF）測量，直接測距，是通過發(fā)射、接收光并測量光子飛行時間，直接計算確定距離，而非直接測距iToF，是通過測量發(fā)射波形和接收波形間的相位差來換算，從而確定距離，直接測距擁有響應(yīng)快、功耗低等優(yōu)勢。

dToF 和 iToF 的區(qū)別

dToF 和 iToF 的原理區(qū)別主要在于發(fā)射和反射光的區(qū)別。dToF 的原理比較直接，即直接發(fā)射一個光脈沖，之后測量反射光脈沖和發(fā)射光脈沖之間的時間間隔，就可以得到光的飛行時間。而 iToF 的原理則要復(fù)雜一些。在 iToF 中，發(fā)射的并非一個光脈沖，而是調(diào)制過的光。接收到的反射調(diào)制光和發(fā)射的調(diào)制光之間存在一個相位差，通過檢測該相位差就能測量出飛行時間，從而估計出距離。

iToF的（indirect time of flight，間接ToF）技術(shù)。所謂間接ToF，并不是直接測量光發(fā)射返回的時間，而是根據(jù)相位偏移來間接計算距離。

眾所周知，光具有波粒二象性，也就是說我們可以通過發(fā)射光和返回光的相位偏差，和收發(fā)的時間進(jìn)行函數(shù)運算，來獲得具體的距離。例如激光發(fā)射器可以發(fā)射850nm的調(diào)制紅外光，反射回來濾片過濾之后接收的自然也就是調(diào)制紅外光。

具體計算方法比較復(fù)雜，這里就不進(jìn)行闡述，但基本的測量指標(biāo)只有幾個基本要件：光發(fā)射的振幅、頻率，而反射回來的光要經(jīng)過四個快門的判定，以此來得出時延、衰減后的振幅以及強(qiáng)度偏移（環(huán)境光），最后就可以計算出相位偏移，而加上環(huán)境光影響的強(qiáng)度偏移，可以得出距離。

之所以iToF設(shè)立如此繁雜的機(jī)制，歸根結(jié)底是因為有利于小型化。如今的手機(jī)上的iToF的芯片像素可以小到5um，以此來實現(xiàn)較高的分辨率（現(xiàn)在可以做到640*480左右）。并且系統(tǒng)容易集成，不需要額外的測量電路。不過這種運算方式，需要高幀率圖像進(jìn)行運算，功耗不小。

而相比之下，dToF的原理就簡單多了，和手機(jī)廠商一開始和我們“科普”的一樣。dToF只需要發(fā)射脈沖波，然后光反射回來被接收，只要計算光發(fā)射和返回的時間，自然就可以計算距離了。

在具體的實現(xiàn)上，dToF 相較于 iToF 來說難度要大許多。dToF 的難點在于要檢測的光信號是一個脈沖信號，因此檢測器對于光的敏感度比需要非常高。常見的 dToF 傳感器實現(xiàn)是使用 SPAD （single-photon avalanche diode，單光子雪崩二極管）。

此外，從讀出電路來看，dToF 需要能分辨出非常精細(xì)的時間差（通常使用 time-to-digital converter，TDC 來實現(xiàn)）。例如如果需要實現(xiàn) 1.5cm 的測距精度，則 TDC 的分辨率需要達(dá)到 10ps，這一點并不容易。

以上關(guān)于 dToF 和 iToF 的對比是針對傳統(tǒng)的技術(shù)而言。隨著近幾年深度傳感器和 LiDAR 的發(fā)展，dToF 也得到了長足的發(fā)展。從光傳感器像素來看，dToF 目前也可以使用 CMOS 工藝實現(xiàn)，并且已經(jīng)可以實現(xiàn)不錯的 2D 分辨率。

5G加持下DToF增強(qiáng)AR體驗

在5G時代到來之際，5G除了會帶來極高的網(wǎng)速之外，還會促進(jìn)部分生態(tài)發(fā)展成熟，這其中就包括AR。從技術(shù)角度講，AR結(jié)合未來體感技術(shù)的加持，將為用戶打造“真實的虛擬世界”。而這，很可能將使AR在5G時代煥發(fā)出新的活力，成為5G時代的一個全新增長點。

蘋果iPad Pro用的就是DToF，而華為Mate30、vivo NEX等機(jī)型用的是iToF。DToF相比于iToF在性能上要好很多，但在生產(chǎn)工藝上也更復(fù)雜。由于采用DToF方法，iPad Pro背部的激光雷達(dá)將能解決直接測距面臨的低時間分辨率難題，達(dá)ps（皮秒）級時間分辨率，精度也不會隨距離拉遠(yuǎn)有大的衰減。iPad Pro的ToF相機(jī)性能將提升的不是一點半點，它帶來了一顆進(jìn)化版的ToF鏡頭，AR體驗的精準(zhǔn)度、流暢度將大大提高，功耗也會大大降低。

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