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一文讀懂TOF深度相機(jī)技術(shù)原理--TI-Tintin-OPT8241二次開發(fā)和應(yīng)用系列--Theory Level

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TOF介紹

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TOF, 即time of flight ,直譯過來就是飛行時(shí)間。顧名思義，即，測(cè)量光在空間中飛行的時(shí)間，通過換算成距離，就可以測(cè)得攝像頭與物體的距離。通常，TOF攝像頭組成有一個(gè)發(fā)射模塊，一個(gè)接收模塊。發(fā)射模塊可以是LED、激光等發(fā)射元件，它將發(fā)射例如850nm的調(diào)制紅外光，物體經(jīng)過反射后，由接收模塊接收到反射的紅外光。由于發(fā)射和接收的都是調(diào)制波，TOF攝像頭可以計(jì)算發(fā)射和接收的相位差，通過換算得到深度值，即攝像頭與物體的深度距離。

TOF-單點(diǎn)測(cè)距原理

一個(gè)簡(jiǎn)易的單點(diǎn)TOF系統(tǒng)組成如下圖：

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它由一個(gè)發(fā)射二極管、接收二極管、調(diào)制模塊，解調(diào)模塊、處理器幾部分組成。調(diào)制模塊負(fù)責(zé)調(diào)制發(fā)射的紅外調(diào)制波，通過發(fā)射二極管將信號(hào)發(fā)射出去；解調(diào)模塊負(fù)責(zé)對(duì)接受二極管接收到的反射紅外波解調(diào)；處理器中包含ADC和數(shù)據(jù)處理，ADC是為了將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，具體是什么模擬信號(hào)下文將會(huì)詳細(xì)講述；數(shù)據(jù)處理為了將測(cè)得的相位差換算成深度信息。

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TOF-多點(diǎn)測(cè)距原理

目前，一個(gè)完整的TOF系統(tǒng)組成如下圖：

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它和傳統(tǒng)RGB攝像頭的組成結(jié)構(gòu)基本相似。

它與點(diǎn)單的TOF系統(tǒng)比較區(qū)別在于，測(cè)量范圍不是一個(gè)點(diǎn)，它是一個(gè)面，因此，接收模塊變成了點(diǎn)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(fā)射二極管前面多了光學(xué)鏡片，一個(gè)是為了紅外波的輻射范圍、一個(gè)是為了濾除850nm以外的光線，就是說，要保證進(jìn)入傳感器的光線只是850nm的，這樣才能保證測(cè)量的準(zhǔn)確度。

因?yàn)橄辔徊罴创砦矬w的與攝像頭的距離，即深度，由于每個(gè)點(diǎn)的相位差不同，所以才能組成有關(guān)物體整幅深度圖像。

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TOF傳感器工作原理

目前，TOF傳感器工作原理中主要有兩種，基于脈沖波（paulse base）的技術(shù)原理、基于連

續(xù)調(diào)制波（CW）的技術(shù)原理。

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在這之前，需要知道解調(diào)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(diǎn)像素的讀取測(cè)量為例：

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整個(gè)讀取測(cè)量過程主要分為4個(gè)步驟：

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分別是，Reset;Integration;Readout;Deadtime

Reset：在上圖中看到，Rst開關(guān)，在測(cè)量電荷量之前，需要將Rst開關(guān)閉合，讓電容CA與CB充電，充好點(diǎn)之后斷開。

Integration：Integration period ,DMIX0和DMIX1是由解調(diào)模塊控制的開關(guān)，什么時(shí)候開關(guān)，與調(diào)制和解調(diào)的頻率有關(guān)。當(dāng)光子被感光元件(藍(lán)色圓圈箭頭)接收時(shí)，并且當(dāng)DMIX0閉合時(shí)，這時(shí)候，充好電的電容CA就會(huì)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(shù)量和時(shí)間的電平。

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

Deadtime：死區(qū)時(shí)間

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從以上四個(gè)環(huán)節(jié)來看，Integration Time 是最重要的。

關(guān)于，為什么還會(huì)有DMIX1，下面將會(huì)解釋到。

基于脈沖波（paulse base）的技術(shù)原理

發(fā)射模塊發(fā)射矩形脈沖波，物體發(fā)射后具有相位差的脈沖波，測(cè)量相位差的方法如下圖：

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發(fā)射脈沖可以設(shè)定一個(gè)頻率f，并且開啟兩個(gè)反向的窗口，DMIX0與DMIX1用來接收光子的數(shù)量， 一個(gè)窗口的頻率和相位是與發(fā)射脈沖是一致的，另外一個(gè)是與DMIX1反向，并且相位差為180。

在兩個(gè)窗口打開的時(shí)候，也就是高電平的時(shí)候，并且這時(shí)候存在物體反射過來的脈沖波，這時(shí)候兩個(gè)不同窗口在各自的時(shí)間內(nèi)收集電荷。在圖上已經(jīng)用紅色上色表示。假設(shè)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(shí)間內(nèi)收集的電荷量。

td表示相位差存在的時(shí)間，為了計(jì)算td，可以通過計(jì)算Q1在反射脈沖所占的時(shí)間，為了計(jì)算Q1這部分的時(shí)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(fā)射電平高電平的時(shí)間。因此，可以通過式子計(jì)算相位差d：

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注：以上的整個(gè)過程稱為IntegrationTime

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基于連續(xù)調(diào)制波（CW）的技術(shù)原理

連續(xù)調(diào)制波在脈沖波的基礎(chǔ)上而來，連續(xù)調(diào)制波通常是連續(xù)正弦波調(diào)制，與脈沖不同的是，連續(xù)調(diào)制波開啟了4個(gè)窗口分別是C1-C4.如下圖所示。

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由于連續(xù)調(diào)制波通常是連續(xù)正弦波調(diào)制，可以將調(diào)制波看成是正弦波如下圖所示。

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連續(xù)正弦波調(diào)制測(cè)量方法，推導(dǎo)過程如下。序號(hào)1-9對(duì)應(yīng)下圖的公式1-8。

1.??????? 假設(shè)發(fā)射的正弦信號(hào)s(t)振幅是a，調(diào)制頻率是f

2.??????? 經(jīng)過時(shí)延 △t后接收到的信號(hào)為接收r(t)，衰減后的振幅為A，強(qiáng)度偏移（由環(huán)境光引起）為B

3.??????? 四個(gè)采樣時(shí)間間隔相等，均為T/4

4.??????? 根據(jù)上述采樣時(shí)間可以列出四個(gè)方程組

5.??????? 從而可以計(jì)算出發(fā)射和接收的正弦信號(hào)的相位偏移△φ

6.??????? 據(jù)此可以根據(jù)（6）中公式計(jì)算物體和深度相機(jī)的距離d

7.??????? 接收信號(hào)的衰減后的振幅A的計(jì)算結(jié)果

8.??????? 接收信號(hào)強(qiáng)度偏移B的計(jì)算結(jié)果，反映了環(huán)境光

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更加詳細(xì)的推導(dǎo)過程如下：

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其實(shí)兩種基于不同原理的計(jì)算相位的方法差不多，連續(xù)調(diào)制波相對(duì)復(fù)雜。關(guān)于如何推到，更多的是數(shù)學(xué)的部分，最后計(jì)算d公式中，其實(shí)表示的含義是一樣的，只是符號(hào)不同罷了。

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兩種基于不同測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析

基于脈沖波（paulse base）的技術(shù)原理

優(yōu)點(diǎn)：

1.???????? 因?yàn)椴挥糜?jì)算振幅和環(huán)境光，測(cè)量方法簡(jiǎn)單，響應(yīng)較快，可以提高相機(jī)的幀率

2.? 由于脈沖占空比在整個(gè)周期中比CW方法要窄很多，所以在理論上設(shè)計(jì)可以檢測(cè)更遠(yuǎn)的距離

缺點(diǎn)：

1.???????? 由于沒有抵消環(huán)境光對(duì)測(cè)量的影響，所以將會(huì)受到環(huán)境光的影響。但是可以通過開設(shè)一個(gè)接收環(huán)境光分量的窗口彌補(bǔ)。

2.???????? 相對(duì)于CW的方案，測(cè)量精度較低，但也不會(huì)低到離譜

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基于連續(xù)調(diào)制波（CW）的技術(shù)原理

優(yōu)點(diǎn)：

1.???????? 相位偏移（公式5）中的(r2-r0)和(r1-r3)相對(duì)于脈沖調(diào)試法消除了由于測(cè)量器件或者環(huán)境光引起的固定偏差。連續(xù)調(diào)制波使用多個(gè)測(cè)量窗口，(Q 3 -Q 4 )及(Q 1 -Q 2 )可以減掉測(cè)量中的共同成分（復(fù)位電壓，環(huán)境光，電容增益等）及其中的偏差。

2.???????? 可以根據(jù)接收信號(hào)的振幅A和強(qiáng)度偏移B來間接的估算深度測(cè)量結(jié)果的精確程度（方差）。

3.???????? 不要求光源必須是短時(shí)高強(qiáng)度脈沖，可以采用不同類型的光源，運(yùn)用不同的調(diào)制方法

缺點(diǎn)：

1.???????? 需要多次采樣，測(cè)量時(shí)間較長，限制了相機(jī)的幀率

2.???????? 因?yàn)椴杉陀?jì)算量大，導(dǎo)致在相同成本的產(chǎn)品中，深度分辨率降低

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參考文獻(xiàn)：

1. https://blog.csdn.net/electech6/article/details/78349107

2. TI documents: http://www.ti.com/sensors/specialty-sensors/time-of-flight/overview.html#design

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總結(jié)

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