TOF深度相機技術原理是什么

TOF深度相機技術原理是什么，很多新手對此不是很清楚，為了幫助大家解決這個難題，下面小編將為大家詳細講解，有這方面需求的人可以來學習下，希望你能有所收獲。

TOF深度相機技術原理

1.TOF介紹

TOF, 即time of flight ,直譯過來就是飛行時間。故名思義，即，測量光在空間中飛行的時間，通過換算成距離，就可以測得深度相機與物體的距離。通常，TOF深度相機組成有一個發射模塊，一個接收模塊。發射模塊可以是LED、激光等發射元件，它將發射例如850nm的調制紅外光，物體經過反射后，由接收模塊接收到反射的紅外光。由于發射和接收的都是調制波，TOF深度相機可以計算發射和接收的相位差，通過換算得到深度值，即深度相機與物體的深度距離。

2.TOF深度相機-單點測距原理

一個簡易的單點TOF系統組成如下圖：

它由一個發射二極管、接收二極管、調制模塊，解調模塊、處理器幾部分組成。調制模塊負責調制發射的紅外調制波，通過發射二極管將信號發射出去；解調模塊負責對接受二極管接收到的反射紅外波解調；處理器中包含ADC和數據處理，ADC是為了將模擬信號轉化為數字信號，具體是什么模擬信號下文將會詳細講述；數據處理為了將測得的相位差換算成深度信息。

3.TOF深度相機-多點測距原理

一個完整的TOF深度相機系統組成如下圖：

它和傳統RGB攝像頭的組成結構基本相似；

另外，它與點單的TOF系統比較區別在于，測量范圍不是一個點，它是一個面，因此，接收模塊變成了點陣的光敏傳感器，通常使用的是CMOS傳感器；在傳感器前面、和發射二極管前面多了光學鏡片，一個是為了紅外波的輻射范圍、一個是為了濾除850nm以外的光線，就是說，要保證進入傳感器的光線只是850nm的，這樣才能保證測量的準確度。

因為相位差即代表物體的與攝像頭的距離，即深度，由于每個點的相位差不同，所以才能組成有關物體整幅深度圖像。

4.TOF傳感器（感光芯片）工作原理

TOF傳感器工作原理中主要有兩種，基于脈沖波（paulse base）的技術原理、基于連續調制波（CW）的技術原理。

在這之前，需要知道解調模塊是如何工作的，如何讀取感光傳感器上面的電荷量。以單點像素的讀取測量為例：

整個讀取測量過程主要分為4個步驟：

分別是，Reset;Integration;Readout;Deadtime

Reset：在上圖中看到，Rst開關，在測量電荷量之前，需要將Rst開關閉合，讓電容CA與CB充電，充好點之后斷開。

Integration：Integration period ,DMIX0和DMIX1是由解調模塊控制的開關，什么時候開關，與調制和解調的頻率有關。當光子被感光元件(藍色圓圈箭頭)接收時，并且當DMIX0閉合時，這時候，充好電的電容CA就會和感光元件釋放出來的電子中和，電容CA放電，直到中和完畢，最后得到的電容電平代表著接受光子數量和時間的電平。

Readout：中和完畢之后，Address Decode 開關打開，讀取電容上的電平。

Deadtime：死區時間

從以上四個環節來看，Integration Time 是最重要的。

為什么還會有DMIX0和DMIX1？

基于脈沖波（paulse base）的技術原理

發射模塊發射矩形脈沖波，物體發射后具有相位差的脈沖波，測量相位差的方法如下圖：

發射脈沖可以設定一個頻率f，并且開啟兩個反向的窗口，DMIX0與DMIX1用來接收光子的數量， 一個窗口的頻率和相位是與發射脈沖是一致的，另外一個是與DMIX1反向，并且相位差為180。

在兩個窗口打開的時候，也就是高電平的時候，并且這時候存在物體反射過來的脈沖波，這時候兩個不同窗口在各自的時間內收集電荷。在圖上已經用紅色上色表示。假設DMIX0收集到的電荷量為Q0，DMIX1收集到的電荷量為Q1。Q0與Q1相加的這部分就是有反射脈沖時間內收集的電荷量。

td表示相位差存在的時間，為了計算td，可以通過計算Q1在反射脈沖所占的時間，為了計算Q1這部分的時間，我們可以讀取DMIX0與DMIX1窗口上的電平，也就是Q0加Q1與Q1的比值，再乘上發射電平高電平的時間。因此，可以通過式子計算相位差d：

注：以上的整個過程稱為IntegrationTime

基于連續調制波（CW）的技術原理

連續調制波在脈沖波的基礎上而來，連續調制波通常是連續正弦波調制，與脈沖不同的是，連續調制波開啟了4個窗口分別是C1-C4.如下圖所示：

由于連續調制波通常是連續正弦波調制，可以將調制波看成是正弦波如下圖所示：

連續正弦波調制測量方法，推導過程如下。序號1-8對應下圖的公式1-8。

1.        假設發射的正弦信號s(t)振幅是a，調制頻率是f

2.        經過時延 △t后接收到的信號為接收r(t)，衰減后的振幅為A，強度偏移（由環境光引起）為B

3.        四個采樣時間間隔相等，均為T/4

4.        根據上述采樣時間可以列出四個方程組

5.        從而可以計算出發射和接收的正弦信號的相位偏移△φ

6.        據此可以根據（6）中公式計算物體和深度相機的距離d

7.        接收信號的衰減后的振幅A的計算結果

8.        接收信號強度偏移B的計算結果，反映了環境光

更加詳細的推導過程如下：

其實兩種基于不同原理的計算相位的方法差不多，連續調制波相對復雜。關于如何推到，更多的是數學的部分，最后計算d公式中，其實表示的含義是一樣的，只是符號不同罷了。

5.兩種基于不同測量方法的優缺點分析

基于脈沖波（paulse base）的技術原理

優點：

1. 因為不用計算振幅和環境光，測量方法簡單，響應較快，可以提高相機的幀率

2. 由于脈沖占空比在整個周期中比CW方法要窄很多，所以在理論上設計可以檢測更遠的距離

缺點：

1. 由于沒有抵消環境光對測量的影響，所以將會受到環境光的影響。但是可以通過開設一個接收環境光分量的窗口彌補。

2. 相對于CW的方案，測量精度較低，但也不會低到離譜

基于連續調制波（CW）的技術原理

優點：

1. 相位偏移（公式5）中的(r2-r0)和(r1-r3)相對于脈沖調試法消除了由于測量器件或者環境光引起的固定偏差。連續調制波使用多個測量窗口，(Q 3 -Q 4 )及(Q 1 -Q 2 )可以減掉測量中的共同成分（復位電壓，環境光，電容增益等）及其中的偏差。

2. 可以根據接收信號的振幅A和強度偏移B來間接的估算深度測量結果的精確程度（方差）。

3.  不要求光源必須是短時高強度脈沖，可以采用不同類型的光源，運用不同的調制方法

缺點：

 1.需要多次采樣，測量時間較長，限制了相機的幀率

2. 因為采集和計算量大，導致在相同成本的產品中，深度分辨率降低

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