【導讀】在自動(dòng)駕駛、機器人導航和增強現實(shí)等前沿科技領(lǐng)域，深度感知技術(shù)正成為實(shí)現空間認知與智能交互的核心引擎。這項技術(shù)通過(guò)精確測量物體距離與空間關(guān)系，為機器賦予"立體視覺(jué)"，使3D 測繪、物體識別、空間感知成為可能。作為深度感知的關(guān)鍵技術(shù)路徑，iToF（間接飛行時(shí)間）技術(shù)通過(guò)發(fā)射調制光并分析反射信號相位差，在消費級市場(chǎng)占據主導地位。然而傳統iToF系統受限于探測距離與精度矛盾，始終難以突破30米應用瓶頸。安森美最新技術(shù)突破或將改寫(xiě)這一格局，其創(chuàng )新方案通過(guò)光學(xué)系統優(yōu)化與信號處理算法革新，成功將iToF的有效探測距離延伸至30米級，同時(shí)保持毫米級測距精度，為工業(yè)檢測、智慧物流等長(cháng)距離場(chǎng)景打開(kāi)全新可能。
在自動(dòng)駕駛、機器人導航和增強現實(shí)等前沿科技領(lǐng)域，深度感知技術(shù)正成為實(shí)現空間認知與智能交互的核心引擎。這項技術(shù)通過(guò)精確測量物體距離與空間關(guān)系，為機器賦予"立體視覺(jué)"，使3D 測繪、物體識別、空間感知成為可能。作為深度感知的關(guān)鍵技術(shù)路徑，iToF（間接飛行時(shí)間）技術(shù)通過(guò)發(fā)射調制光并分析反射信號相位差，在消費級市場(chǎng)占據主導地位。然而傳統iToF系統受限于探測距離與精度矛盾，始終難以突破30米應用瓶頸。安森美最新技術(shù)突破或將改寫(xiě)這一格局，其創(chuàng )新方案通過(guò)光學(xué)系統優(yōu)化與信號處理算法革新，成功將iToF的有效探測距離延伸至30米級，同時(shí)保持毫米級測距精度，為工業(yè)檢測、智慧物流等長(cháng)距離場(chǎng)景打開(kāi)全新可能。
安森美的 iToF 方案：Hyperlux? ID
常規的間接飛行時(shí)間 (iToF) 技術(shù)盡管潛力巨大，但在實(shí)際應用中仍面臨挑戰。為了解決這一難題，安森美開(kāi)發(fā)了 Hyperlux ID 高性能 iToF 傳感器系列。該系列運用先進(jìn)的像素和堆疊技術(shù)及多種特性，拓展了 iToF 方法的應用范圍。下面介紹 iToF 的原理和 Hyperlux ID 感知系列的主要特性。
圖 1. Hyperlux ID 獲取的深度點(diǎn)云圖像
iToF 的原理
如前所述，間接飛行時(shí)間 (iToF) 法通過(guò)接收以特定頻率調制的照射光的反射波并計算相移來(lái)確定深度。為了確定相移，采用四個(gè)調制信號進(jìn)行測量，其相位分別偏移 0°、90°、180° 和 270°。因此，至少需要四次曝光才能獲得單個(gè)深度幀信息。
圖 2. iToF 計算
iToF 根據相移來(lái)計算距離。相位周期由調制頻率決定，相位具有周期性。當與目標的距離超過(guò)一個(gè)周期時(shí)，就會(huì )出現相位模糊問(wèn)題，即無(wú)法判斷測得的相位屬于哪個(gè)周期。例如，若調制頻率為 60MHz，則一個(gè)周期為 2.5 米。在這種情況下，測量距離 3 米將被解釋為 0.5 米。因此，最大可測量深度一般在調制頻率的一個(gè)周期以?xún)龋? 至 2π）。
Hyperlux ID 的主要特性
提升分辨率和距離精度
安森美開(kāi)發(fā)了名為 Hyperlux ID 的 iToF 傳感器系列。該系列包含AF0130 和 AF0131 兩款產(chǎn)品，具有 120 萬(wàn)像素的高分辨率。此分辨率相當于目前市面上大多數 iToF 傳感器分辨率 (VGA) 的四倍，因而能夠實(shí)現更精確的測量。
此外，這些產(chǎn)品還支持像素合并。如果 VGA 分辨率足夠，那么將 120 萬(wàn)像素進(jìn)行像素合并，可以提高 VGA 傳感器的靈敏度。距離分辨率取決于調制頻率。與市面上的常規方案相比，我們的產(chǎn)品可以使用相對較高的 200MHz 調制頻率。因此，我們的產(chǎn)品性能可擴展，既支持短距離、高精度感知，也支持長(cháng)距離、高分辨率感知。
圖 3. 近距離高精度感知示例
集成深度計算功能（減小系統尺寸并降低成本）
常規 iToF 傳感器不具備根據四個(gè)相位的曝光結果來(lái)確定深度距離的計算能力。確定深度距離的過(guò)程必須由外部 FPGA 或處理器執行。這些 FPGA 或處理器將 iToF 傳感器輸出的每個(gè)相位的曝光結果存儲在幀存儲器中，并在收集到所有四個(gè)相位的數據后執行深度計算。因此，客戶(hù)需要確保系統具備足夠的處理能力和存儲器來(lái)支持 iToF 計算。
我們的新產(chǎn)品 AF0130 集成了深度計算功能?？蛻?hù)無(wú)需準備大量的處理資源，系統也得以簡(jiǎn)化。如果之前使用了 FPGA 等專(zhuān)用計算器件，那么現在可以移除這些器件，有助于減小攝像頭的外形尺寸。如果過(guò)去使用了高性能處理器，現在可以將計算資源分配給其他應用，或者換用更具成本效益的處理器。當分辨率較高時(shí)，我們的新方案會(huì )更加有效。
iToF 需要至少四個(gè)相位的數據，因此與常規圖像傳感器相比，它會(huì )產(chǎn)生四倍以上的數據輸出。由于計算在 iToF 傳感器端進(jìn)行，數據速率可以顯著(zhù)降低。它還能提升電路板設計的靈活性。此外，如果客戶(hù)希望使用自己的計算算法，我們還提供未集成計算功能的 AF0131。
減少運動(dòng)偽影
常規 iToF 傳感器在每次相位曝光后，都會(huì )將數據讀出到外部處理器。從第一次 φ0 曝光到 φ270 曝光完成，需要一定的時(shí)間。如果目標物體在此期間移動(dòng)，則感知結果中會(huì )出現運動(dòng)偽影。Hyperlux ID 內置存儲器，可以保留必要的相位數據。這里的技術(shù)突破在于，所有四相信息都直接存儲在像素中。曝光結果原封不動(dòng)地存儲在像素存儲器內。因此，下一相位曝光可以在很短的時(shí)間內開(kāi)始，從而減少了四個(gè)相位的總曝光時(shí)間，運動(dòng)偽影得以大幅減少。
圖 4. 減少運動(dòng)偽影機制（1 幀）
長(cháng)深度距離和高環(huán)境光抑制
· 雙頻模式：常規 iToF 傳感器的典型感知范圍為 5 到 10 米左右，而且由于易受環(huán)境光干擾，因此通常僅限于室內使用。前面提到過(guò)，iToF 可測量的深度范圍一般為調制頻率的一個(gè)周期。為了擴大測量范圍，可以使用融合兩種調制頻率的方法。由于使用兩個(gè)調制頻率，因此可以區分的最大距離為這兩個(gè)頻率的最小公倍數。這種方法由來(lái)已久，但常規 iToF 傳感器處理四個(gè)相位時(shí)，要求每幀改變一次調制頻率，再由系統合并。結果，最終的幀速率會(huì )減半，創(chuàng )建單個(gè)深度幀的曝光時(shí)間會(huì )延長(cháng)。Hyperlux ID 有能力在單幀內處理兩個(gè)調制頻率，因此無(wú)需外部處理，幀速率不會(huì )降低。此外，通過(guò)使用像素存儲器，兩個(gè)調制頻率的八個(gè)相位曝光所需的時(shí)間可以縮短。因此，不僅感知范圍得到擴大，而且運動(dòng)偽影也得以有效減少。（不過(guò)，此款產(chǎn)品使用雙頻時(shí)的最大分辨率為 VGA。）
圖 5. 雙頻模式
· 提高靈敏度：假設用于發(fā)射的激光是 940nm 波段的激光。在該頻段，常規 iToF 產(chǎn)品的典型 QE（量子效率）為 20% 至 30%，但 Hyperlux ID 得益于安森美先進(jìn)的像素技術(shù)，已達到 40% 以上。隨著(zhù)測量距離增加，反射波的能量減小，因此靈敏度的改善非常有助于提高深度測量距離和精度。此外，在雙頻下，由于像素合并，最大分辨率變?yōu)?VGA，但這也改善了傳感器靈敏度，有助于提高深度測量距離和精度，就像 QE 一樣。
· 增強環(huán)境光抑制：一般來(lái)說(shuō)，iToF 容易受到陽(yáng)光等環(huán)境光的干擾。發(fā)射激光以外的光源也會(huì )影響測量，導致結果不準確。因此，iToF 通常僅限于室內使用。我們的產(chǎn)品增強了環(huán)境光抑制能力。即使在陽(yáng)光下，它也能獲得準確的深度結果。
圖 6. 環(huán)境光抑制效果
混合模式：常規 iToF 傳感器使用調制的連續光波，要求快門(mén)在測量期間保持打開(kāi)，而這會(huì )導致環(huán)境光成分不斷在像素中積累。此外，若要測量更遠的目標，必須提高激光功率。在這種情況下，激光能量非常強，會(huì )照射到附近的目標上，產(chǎn)生強烈的反射光，可能導致像素飽和。因此，進(jìn)行大范圍測量非常困難。Hyperlux ID 采用了安森美的全局快門(mén)技術(shù)和專(zhuān)利混合技術(shù)。它使用基于測量距離的專(zhuān)門(mén)調制，并且僅在必要時(shí)打開(kāi)全局快門(mén)，從而有效減少了環(huán)境光成分的積累。這樣可以最大限度地利用像素靈敏度，實(shí)現從近距離到遠距離的寬范圍測量。目前，室內和室外都能獲得超過(guò) 30 米的測量結果。
圖 7. 30 米長(cháng)距離模式，室內和室外場(chǎng)景
Hyperlux ID 間接飛行時(shí)間 (iToF) 技術(shù)的應用
Hyperlux ID 提升了距離感知的分辨率和精度，無(wú)論近距離還是遠距離（最遠 30 米），都能實(shí)現更準確的測量，通過(guò)應用于工業(yè)、商業(yè)、消費領(lǐng)域的各種深度感知場(chǎng)景，有助于提高深度感知性能。
圖 8. 應用示例
綜上所述，安森美的高性能 iToF 產(chǎn)品系列作為全新 Hyperlux ID 系列的一部分，顛覆了關(guān)于 iToF 方法的傳統觀(guān)念。 該系列產(chǎn)品拓寬了 3D 感知的應用范圍，并有助于提升工業(yè)自動(dòng)化、機器人、安防等眾多領(lǐng)域的自動(dòng)化水平。
作者：安森美
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