ToF應(yīng)用像打開(kāi)的潘多拉盒子，空間巨大亟待挖掘

這兩年，隨著手機(jī)、無(wú)人機(jī)等采用了ToF（飛行時(shí)間），引起了業(yè)界對(duì)ToF應(yīng)用的極大關(guān)注。實(shí)際上，能實(shí)現(xiàn)3D測(cè)距的ToF有著廣闊的應(yīng)用潛力。

不久前，ADI系統(tǒng)應(yīng)用工程經(jīng)理李佳女士向電子產(chǎn)品世界等媒體介紹了ToF的應(yīng)用潛力，三種3D測(cè)距方案的對(duì)比，以及ADI ToF的解決方案。

ADI系統(tǒng)應(yīng)用工程經(jīng)理 李佳

1 ToF的應(yīng)用市場(chǎng)

ToF的需求無(wú)處不在。包括VR/AR，SLAM（即時(shí)定位與地圖構(gòu)建），即怎樣通過(guò)技術(shù)方法，把現(xiàn)在我們?nèi)庋勰軌蚩匆?jiàn)的3維信息通過(guò)科技的手段，再重新建模，可以作為導(dǎo)航的應(yīng)用，用于服務(wù)應(yīng)用、家庭機(jī)器人、倉(cāng)庫(kù)AGV（自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(chē)）、工業(yè)交互應(yīng)用等。還有監(jiān)控應(yīng)用、工業(yè)機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等。

上述是工業(yè)上的方向。在車(chē)載方面，有車(chē)內(nèi)和車(chē)外兩大技術(shù)。

2 三種3D測(cè)距的比較

● 模仿人眼的雙目。應(yīng)用之一是手機(jī)，從傳統(tǒng)的單目，慢慢發(fā)展為手機(jī)的攝像頭越來(lái)越多，來(lái)模擬深度的場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)深度信息的提取。特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)的方式較為簡(jiǎn)單，也比較接近人類(lèi)的感知。其缺點(diǎn)是無(wú)法精確地提取到深度的數(shù)據(jù)。

● 結(jié)構(gòu)光。已有約10年的歷史，可以得到準(zhǔn)確的距離信息。但是缺點(diǎn)是只適用于近距離，諸如1.2 m以內(nèi)的近距離，因而是特定場(chǎng)景下的3D數(shù)據(jù)信息采集的應(yīng)用。典型的應(yīng)用諸如蘋(píng)果iPhone X率先在手機(jī)中推出的人臉識(shí)別應(yīng)用。

● 3D ToF。其適配范圍會(huì)更廣，從近距離覆蓋到了更遠(yuǎn)的距離，可以提取到很準(zhǔn)確的深度信息。因此今后很多的應(yīng)用會(huì)從雙目、結(jié)構(gòu)光慢慢轉(zhuǎn)到ToF上。

那么，一些手機(jī)廠商從結(jié)構(gòu)光又轉(zhuǎn)到ToF上，是出于成本還是什么原因呢？

實(shí)際上，結(jié)構(gòu)光只能在近距離、一些特定場(chǎng)景以及特定應(yīng)用的時(shí)候，它的表現(xiàn)性能是比較優(yōu)異的。蘋(píng)果最早發(fā)布的人臉解鎖，在五六十厘米的范圍內(nèi)非常合適。但隨著技術(shù)不斷的發(fā)展，可能在手機(jī)里植入一個(gè)3D攝像頭，僅僅作為前攝人臉解鎖的功能，已不能滿足廣大用戶對(duì)3D技術(shù)的應(yīng)用需求，所以想開(kāi)拓更多更廣的應(yīng)用，因此ToF的場(chǎng)景不局限，適配距離更遠(yuǎn)一些。

關(guān)于成本，ToF是上下游連在一起的信號(hào)鏈，需要從光學(xué)、電子以及后面的應(yīng)用算法都一起來(lái)考慮，是一類(lèi)適配性很強(qiáng)的應(yīng)用，例如如果用到汽車(chē)上，對(duì)于這些器件的可靠性要求非常高，它的成本不能跟手機(jī)這樣的成本來(lái)直接衡量。所以關(guān)于成本，要看每種應(yīng)用的具體情況。

3 ADI的ToF的優(yōu)勢(shì)

ADI ToF的解決方案從人臉支付到中距離20 m，甚至到遠(yuǎn)距離30 m應(yīng)用場(chǎng)景。

ADI采用的是高感光度器件，對(duì)室外抗干擾性有很大的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)锳DI的方案是與CCD傳感器來(lái)搭配的，CCD是全局曝光的器件；而且CCD是窄快門(mén)的曝光原理，對(duì)于外界抗干擾的性能很強(qiáng)，因而對(duì)數(shù)據(jù)噪聲有很高的抑制作用。

ADI需要與很作伙伴合作（例如國(guó)內(nèi)的模組廠合作），來(lái)共同打造小型化、集成度高的產(chǎn)品。如下圖，ADI提供主芯片——ADDI9033/5/6。前端（左側(cè)）是合作伙伴的傳感器。ADI芯片采集前端過(guò)來(lái)的信號(hào)做轉(zhuǎn)換，同時(shí)做一些深度計(jì)算，把深度的信息直接送到后面（右側(cè)）的SoC去做相應(yīng)的濾波處理，之后的數(shù)據(jù)就可以提供給算法公司做后面的應(yīng)用。

4 ADI ToF的落地應(yīng)用

1）車(chē)載領(lǐng)域

分為三大方向。

● 車(chē)內(nèi)，車(chē)內(nèi)傳感器的適配距離是40~200 cm，主要用于手勢(shì)操控，還有駕駛員與副駕駛、后排乘客體態(tài)的監(jiān)控?，F(xiàn)在歐洲一些車(chē)廠已經(jīng)把這種應(yīng)用規(guī)定作為標(biāo)準(zhǔn)了，用途是在發(fā)生意外的時(shí)候，保險(xiǎn)公司要來(lái)看當(dāng)時(shí)的司機(jī)或者乘客的即時(shí)狀況。

● 車(chē)外近距離，例如B柱人臉解鎖方案，不用鑰匙用人臉解鎖的應(yīng)用方向。

● ToF可以探測(cè)遠(yuǎn)距離，從而可以從ToF方案來(lái)拓展到車(chē)外的輔助駕駛的方向上。例如，ADI的ToF可以實(shí)現(xiàn)20 m的探測(cè)距離。

2）人臉支付

現(xiàn)在在一些商超/無(wú)人商超里，除了二維碼支付之外，還有人臉支付——通過(guò)二維的人臉數(shù)據(jù)比對(duì)，但會(huì)存在被破解的安全隱患，例如拿一張照片是否就可以破解這個(gè)功能。所以在支付行業(yè)里一定要引入3D的技術(shù)，用3D技術(shù)進(jìn)行活體采集。所以在支付這種比較敏感、安全性要求較高的應(yīng)用里，3D技術(shù)是一種類(lèi)似于強(qiáng)制性的引入技術(shù)。

3）閘機(jī)門(mén)禁

在機(jī)場(chǎng)安檢、大廈安檢里，我們可以看到閘機(jī)等門(mén)禁設(shè)備里也開(kāi)始加入人臉識(shí)別系統(tǒng)，包括中遠(yuǎn)距離人的體重識(shí)別功能，都會(huì)采用3D技術(shù)。

上述主要應(yīng)用是識(shí)別與活體檢測(cè)。下面還有測(cè)距應(yīng)用。

4）體積測(cè)量

這也是ToF的一個(gè)非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域。因?yàn)樵隗w積測(cè)量的時(shí)候，我們除了2D的信息之外，還需要多知道一個(gè)深度的數(shù)據(jù)，即需要長(zhǎng)寬高的數(shù)據(jù)。這也是ToF非常好的應(yīng)用場(chǎng)景：可以快速地把3維信息采集到，從而可以快速地計(jì)算出包裹的體積。在物流行業(yè)里體積測(cè)量非常重要，甚至大于重量。

5）30 m遠(yuǎn)距離測(cè)量

ADI的方案因?yàn)橛泻軓?qiáng)的感光度，所以它非常適合于戶外的遠(yuǎn)距離應(yīng)用，因此ADI的合作伙伴已經(jīng)做到了30 m戶外的AGV探測(cè)距離產(chǎn)品，該客戶的產(chǎn)品在2020年的CES（美國(guó)消費(fèi)電子展）上獲得了創(chuàng)新獎(jiǎng)（如下圖）。此外，也可用于大型的掃地機(jī)。

5 ADI的ToF成功案例

2014—2016年，ADI為國(guó)外某家大型AR眼鏡公司特別定制3D ToF產(chǎn)品，2016年左右，這種AR眼鏡產(chǎn)品成功落地。ADI的ToF在這種AR眼鏡中主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和3D重建的功能。

2016—2017年，ADI的產(chǎn)品用在了汽車(chē)內(nèi)手勢(shì)識(shí)別的產(chǎn)品中。2019年年初，這款車(chē)型已經(jīng)發(fā)布。

2018年,ADI ToF方案集成到中國(guó)一家大品牌的手機(jī)里，2019年年初成功落地發(fā)布。

綜上所述，ADI的ToF產(chǎn)品涵蓋了從消費(fèi)到汽車(chē)的領(lǐng)域，目前把ToF慢慢在工業(yè)領(lǐng)域上鋪開(kāi)。

目前，ADI與合作伙伴采用CCD的方案，后續(xù)會(huì)轉(zhuǎn)向完全由ADI主導(dǎo)的解決方案，分辨率也會(huì)有很大的提升，功耗及性能會(huì)有明顯的提升。