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        TOF技術科普篇

        2018-04-04來源:編輯:admin


        ToF是Time ofFlight的縮寫,直譯為飛行時間,通過給目標連續發送光脈沖,然后用傳感器接收從物體返回的光,通過探測這些發射和接收光脈沖的飛行(往返)時間來得到目標物距離。

        這種技術跟3D激光傳感器原理基本類似,只不過3D激光傳感器是逐點掃描,而TOF相機則是同時得到整幅圖像的深度信息。TOF相機與普通機器視覺成像過程也有類似之處,都是由光源、光學部件、傳感器、控制電路以及處理電路等幾部單元組成。


        與同屬于非侵入式三維探測、適用領域非常類似的雙目測量系統相比,TOF相機具有根本不同3D成像機理。雙目立體測量通過左右立體像對匹配后,再經過三角測量法來進行立體探測,而TOF相機是通過入、反射光探測來獲取的目標距離獲取。

        TOF技術采用主動光探測方式,與一般光照需求不一樣的是,TOF照射單元的目的不是照明,而是利用入射光信號與反射光信號的變化來進行距離測量,所以,TOF的照射單元都是對光進行高頻調制之后再進行發射,脈沖可達到100MHz。

        當前市面上已有的ToF相機技術大部分是基于連續波(continuous wave)強度調制方法,還有一些是基于光學快門的方法,原理略有不同。分別的原理如下圖所示:

         


        基于光學快門的方法的原理非常簡單,發射一束脈沖光波,通過光學快門快速精確獲取照射到三維物體后反射回來的光波的時間差t,由于光速c已知,只要知道照射光和接收光的時間差,來回的距離可以通過公示d = t/2· c。 此種方法原理看起來非常簡單,但是實際應用中要達到較高的精度仍具有很大的挑戰,如控制光學快門開關的時鐘要求非常高的精度,還要能夠產生高精度及高重復性的超短脈沖,照射單元和TOF傳感器都需要高速信號控制,這樣才能達到高的深度測量精度。 假如照射光與ToF傳感器之間的時鐘信號發生10ps的偏移,就相當于1.5mm的位移誤差。

        另一種已有的基于連續波強度調制的ToF工作原理如下:

         

        發射一束照明光,利用發射光波信號與反射光波信號的相位變化來進行距離測量。其中,照明模組的波長一般是紅外波段,且需要進行高頻率調制。ToF感光模組與普通手機攝像模組類似,由芯片,鏡頭,線路板等部件構成,ToF感光芯片每一個像元對發射光波的往返相機與物體之間的具體相位分別進行錄,通過數據處理單元提取出相位差,由公式計算出深度信息。該芯片傳感器結構與普通手機攝像模組所采用的CMOS圖像傳感器類似,但更復雜一些,它包含調制控制單元,A/D轉換單元,數據處理單元等,因此ToF芯片像素比一般圖像傳感器像素尺寸要大得多,一般20um左右。也需要一個搜集光線的鏡頭,不過與普通光學鏡頭不同的是這里需要加一個紅外帶通濾光片來保證只有與照明光源波長相同的光才能進入。由于光學成像系統不同距離的場景為各個不同直徑的同心球面,而非平行平面,所以在實際使用時,需要后續數據處理單元對這個誤差進行校正。ToF相機的校正是生產制程中必不可少的最重要的工序,沒有校正工序,ToF相機就無法正常工作。

         
        TOF之應用領域

        TOF 相機目前的主要應用領域包括:
        物流行業:通過 TOF 相機迅速獲得包裹的拋重(即體積),來優化裝箱和進行運費評估;
        安防和監控:進行 Peoplecounting 確定進入人數不超過上限;通過對人流或復雜交通系統的counting,實現對安防系統的統計分析設計;敏感地區的檢測對象監視;機器視覺:工業定位、工業引導和體積預估;替代工位上占用大量空間的、基于紅外光進行安全生產控制的設備;
        機器人:在自動駕駛領域提供更好的避障信息;機器人在安裝、質量控制、原料揀選應用上的引導;
        醫療和生物:足部矯形建模、病人活動/狀態監控、手術輔助、面部3D 識別;
        互動娛樂:動作姿勢探測、表情識別、娛樂廣告

         
        TOF相機特點

        優點:
        1.相對二維圖像,可通過距離信息獲取物體之間更加豐富的位置關系,即
        區分前景與后景;
        2.深度信息依舊可以完成對目標圖像的分割、標記、識別、跟蹤等傳統應用;
        3.經過進一步深化處理,可以完成三維建模等應用;
        4.能夠快速完成對目標的識別與追蹤;
        5.借助 CMOS 的特性,可獲取大量數據及信息,對復雜物體的姿態判斷極為有效;
        6.無需掃描設備輔助工作
        缺點:
        1.相對于普通數碼相機,其造價仍然偏高,影響該產品目前的普及使用率;
        2.相機本身仍然受到硬件發展的限制,更新換代速度較快;
        3.測量距離較常規測量儀器短,一般不超過 10 米;
        4.測量結果受被測物性質的影響;
        5.大多數機器的測量結果受外界環境干擾較為明顯,尤其是受外界光源干擾;
        6.分辨率相對較低;
        7. 系統誤差及隨機誤差對結果影響明顯,需要進行后期數據處理。
         

        友情鏈接:激光3D輪廓傳感器|激光焊縫跟蹤傳感器|山東發電機租賃|濟南資質代辦|
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