就在前不久，ADI宣布與Jungo合作開(kāi)發(fā)基于飛行時(shí)間(ToF)和2D紅外(IR)技術(shù)的攝像頭解決方案，以實(shí)現車(chē)內駕駛員及座艙監測。ADI的ToF技術(shù)和Jungo的CoDriver軟件相結合，有望通過(guò)觀(guān)察頭部、身體位置以及眼睛注視情況，監測車(chē)內人員的睡意和注意力分散程度。該解決方案還有望實(shí)現基于面部、身體和手勢的智能交互，提供各個(gè)車(chē)內人員的人臉識別功能，從而實(shí)現個(gè)性化信息娛樂(lè )及服務(wù)以及拼車(chē)支付等功能。 隨著(zhù)類(lèi)似汽車(chē)及工業(yè)應用的增加，可靠性成為最重要的關(guān)切，特別是作為以光檢測為基礎的ToF系統之間、環(huán)境光干擾導致的干擾隱患如何破？

 

ToF的激光檢測，干擾是普遍存在的隱患

 

3D ToF是一種無(wú)掃描LIDAR（光檢測和測距）技術(shù)，通過(guò)發(fā)射納秒級的高功率光脈沖來(lái)捕獲相關(guān)場(chǎng)景的深度信息（通常是短距離內）。ToF背后的基礎科學(xué)很簡(jiǎn)單。該系統發(fā)出經(jīng)脈沖調制的光，并測量光子經(jīng)物體反射后返回到傳感器所需的時(shí)間。由于該時(shí)間和光速為已知值，因此可以計算出距離。

 

 

點(diǎn)云是對ToF攝像頭算出的每個(gè)像素點(diǎn)深度的3D可視化。ToF是一種景深測量技術(shù)，使用紅外光源向場(chǎng)景發(fā)射多個(gè)精確計時(shí)的光脈沖。圖像傳感器與光源共置，接收從場(chǎng)景中所有表面返回的光子，其次序與表面到傳感器的距離遠近相同。利用已知的光速和光子返回到傳感器每個(gè)像素點(diǎn)所花費的時(shí)間，可以計算出每個(gè)像素所對應的距離或深度。

 

很明顯，ToF檢測準確的基本條件是自身產(chǎn)生發(fā)射光信號并接收該反射信號，但是如果同一場(chǎng)景下多個(gè)ToF應用終端如何避免干擾？ ADI就曾做了這方面的實(shí)驗演示分析——演示設置非常簡(jiǎn)單，設置了兩個(gè)相互垂直的ToF攝像頭，每個(gè)攝像頭會(huì )顯示參與對象在三個(gè)維度上的角度，即高度、寬度以及最重要的深度。每種顏色代表不同的距離范圍，因此如果現場(chǎng)工作人員靠近攝像頭，手上的顏色就會(huì )發(fā)生變化。同樣，如果遠離攝像頭，工作人員的身體會(huì )變成不同的顏色，這意味著(zhù)距離變得更遠。在本演示中，ADI展示了多個(gè)ToF攝像頭面對面放置。如下圖可以看到這種其他攝像頭帶來(lái)的干擾產(chǎn)生的影響——注意到在這張圖片中工作人員的顏色改變了，不同的顏色表示不同的距離，這是由于這個(gè)ToF攝像頭的激光脈沖反射到另一個(gè)ToF攝像頭，從而顯示出失真或錯誤的距離數據。

 

多TOF干擾消除技術(shù)的效果對比（右邊采用干擾消除技術(shù)，左邊未采用）

 

如何消除干擾？從硬件到軟件全面克服挑戰

 

上圖右邊的攝像頭并未顯示這種失真，這是因為該方案中采用了一項正ADI在申請專(zhuān)利的算法，它能夠避開(kāi)或消除所有無(wú)關(guān)的光信息，僅使用自身激光源的光信息，所以能給出正確的深度信息。另一個(gè)攝像頭沒(méi)有采用此干擾消除算法，會(huì )出現失真，而這個(gè)攝像頭則不會(huì )出現失真。

 

根據ADI官網(wǎng)透露，該算法來(lái)自于其內部技術(shù)孵化器“Analog Garage”的飛行時(shí)間AGI團隊，通過(guò)與對應用和硬件有著(zhù)非常深刻的理解業(yè)務(wù)部合作的幾個(gè)月合作，借助業(yè)務(wù)部擁有廣泛的洞察力、傳遞實(shí)際客戶(hù)的反饋，以及他也提出的各種問(wèn)題，從干擾、功耗到動(dòng)態(tài)范圍。為了使用搭載ADI公司產(chǎn)品的傳感器和攝像頭模塊進(jìn)行實(shí)驗和快速學(xué)習，該團隊深入了解了業(yè)務(wù)部的測試和調試GUI，并創(chuàng )建了在A(yíng)nalog Garage的ToF實(shí)驗室中進(jìn)行實(shí)驗的一套工具。該工具對于團隊至關(guān)重要，使他們能夠測試構想、模擬多攝像頭環(huán)境，并演示算法對干擾和功耗的影響。該團隊提出了應對需求的兩種方法：避免干擾和消除干擾。在項目的最后階段將這兩種方法結合在一起，能夠同時(shí)運行比使用單一算法更多的攝像頭。由ToF AGI研發(fā)的干擾抑制算法是超越硅技，此項創(chuàng )新是業(yè)務(wù)部對應用和器件架構的深刻理解與Analog Garage科學(xué)家的算法專(zhuān)長(cháng)強強聯(lián)合的產(chǎn)物。

 

ADI公司飛行時(shí)間AGI團隊成員（該團隊已經(jīng)轉入消費電子業(yè)務(wù)部）

 

當然，干擾不僅僅來(lái)自有ToF設備之間發(fā)射光“串門(mén)”，更有可能來(lái)自無(wú)處不在的大自然光線(xiàn)干擾，特別是室外環(huán)境。

 

通常而言，ToF技術(shù)根據調制方法的不同，可以分為兩種：脈沖調制和連續波調制。兩種ToF調制方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據實(shí)際應用用例綜合考量的點(diǎn)包括測量距離、使用系統的環(huán)境、精度要求、熱/功耗限制、外形大小以及電源問(wèn)題等。ADI的ToF解決方案目前主要采用CCD傳感器的脈沖原理方式，CCD作為一個(gè)全局曝光器件，在室外遠距離場(chǎng)景下，具有非常良好的性能。同時(shí)CCD作為全局曝光的傳感器，又是窄快門(mén)曝光，對于外界抗干擾性能非常強。

 

戶(hù)外環(huán)境下CMOS ToF系統(850 nm光源)與ADI的CCD ToF系統在識別人與三腳架的效果對比。

 

具體來(lái)看，ADI的ToF解決方案使用了高性能ToF CCD和集成了12位ADC、深度處理器（將來(lái)自CCD的原始模擬圖像信號處理成深度/像素數據），以及高精度時(shí)鐘發(fā)生器（為CCD和激光器生成驅動(dòng)時(shí)序）的ToF模擬處理前端。ToF CCD主芯片ADDI903x系列具有很好的性能，傳感器將采集的光信號轉換成電信號，運用深度計算把最終距離信息送到SOC處理，然后將數據提供給算法適配，整個(gè)過(guò)程涉及傳感器、鏡頭、發(fā)射器件、平臺、應用等。對硬件廠(chǎng)商而言，需要和模組廠(chǎng)配合打造小型化、集成度高的產(chǎn)品來(lái)適配應用廠(chǎng)商，然后適應不同的應用場(chǎng)景。

 

總結：

到目前為止，ADI的ToF技術(shù)和產(chǎn)品不僅涵蓋了從工業(yè)、消費到汽車(chē)等，應用的邊界拓展仍在繼續，未來(lái)更大空間、更高分辨率深度數據與強大的分類(lèi)算法以及AI相結合，將會(huì )解鎖更多新的場(chǎng)景。但在面臨多個(gè)ToF攝像頭同時(shí)工作（技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖預計將實(shí)現64個(gè)攝像頭同時(shí)近程檢測）的挑戰時(shí)，克服干擾帶來(lái)的檢測風(fēng)險越來(lái)越重要。解決干擾問(wèn)題將涉及大量的反復試錯，而現有技術(shù)很可能根本無(wú)法滿(mǎn)足要求，ADI通過(guò)算法手段能實(shí)現比電路設計更快速的迭代和實(shí)驗。ADI提供可直接提升3D ToF系統功能的產(chǎn)品和解決方案，包括處理、激光驅動(dòng)器、電源管理以及開(kāi)發(fā)板和軟件/固件，這種多ToF系統干擾消除的算法進(jìn)步將進(jìn)一步幫助快速實(shí)現3D ToF解決方案。