什么是飛行時(shí)間（ToF）傳感器？

什么是飛行時(shí)間相機(jī)？它是捕捉飛機(jī)飛行的相機(jī)嗎？它與飛機(jī)或飛機(jī)有關(guān)嗎？好吧，實(shí)際上距離還很遠(yuǎn)！

ToF是物體，粒子或波傳播一段距離所花費(fèi)的時(shí)間的度量。您知道蝙蝠的聲納系統(tǒng)有效嗎？飛行時(shí)間系統(tǒng)與此類似！

飛行時(shí)間傳感器種類繁多，但大多數(shù)是飛行時(shí)間相機(jī)和激光掃描儀，它們使用稱為激光雷達(dá)（光檢測(cè)和測(cè)距）的技術(shù)，通過(guò)用紅外光照射來(lái)測(cè)量圖像中各個(gè)點(diǎn)的深度。

使用ToF傳感器生成和捕獲的數(shù)據(jù)非常有用，因?yàn)樗梢蕴峁┬腥?a target="_blank">檢測(cè)，基于面部特征的用戶身份驗(yàn)證，使用SLAM（同時(shí)定位和映射）算法的環(huán)境映射等等。

該系統(tǒng)實(shí)際上廣泛用于機(jī)器人，自動(dòng)駕駛汽車，甚至現(xiàn)在是您的移動(dòng)設(shè)備。舉個(gè)例子，如果您使用的是華為P30 Pro，Oppo RX17 Pro，LG G8 ThinQ，則您的手機(jī)配有ToF攝像頭！

飛行時(shí)間傳感器如何工作？

現(xiàn)在，我們對(duì)飛行時(shí)間傳感器是什么有了一個(gè)簡(jiǎn)短的了解，它如何工作？

ToF傳感器使用微小的激光發(fā)射紅外光，其中產(chǎn)生的光會(huì)從任何物體反彈并返回到傳感器。根據(jù)光的發(fā)射與被物體反射后返回傳感器之間的時(shí)間差，傳感器可以測(cè)量物體與傳感器之間的距離。

今天，我們將探討ToF使用旅行時(shí)間確定距離和深度的2種方法，它們是：

使用定時(shí)脈沖

使用調(diào)幅波的相移

使用定時(shí)脈沖

例如，它的工作方式是首先用激光照射目標(biāo)，然后用掃描儀測(cè)量反射光，然后使用光速推算出物體的距離，從而精確地計(jì)算出行進(jìn)的距離。此外，然后使用激光返回時(shí)間和波長(zhǎng)的差異來(lái)進(jìn)行目標(biāo)的精確數(shù)字3D表示和表面特征，并在視覺(jué)上繪制出其各個(gè)特征。

正如您在上面看到的那樣，這是首先發(fā)射激光并從物體反射回傳感器的過(guò)程。借助激光返回時(shí)間，ToF攝像機(jī)能夠在給定光傳播速度的情況下在短時(shí)間內(nèi)測(cè)量出準(zhǔn)確的距離。（ToF轉(zhuǎn)換為距離）這是分析人員用來(lái)得出對(duì)象的精確距離的公式：

（光速x飛行時(shí)間）/ 2

如您所見(jiàn)，計(jì)時(shí)器將在燈光熄滅期間啟動(dòng)，并且當(dāng)接收器接收到返回?zé)魰r(shí)，計(jì)時(shí)器將返回時(shí)間。當(dāng)兩次相減時(shí)，獲得了光的“飛行時(shí)間”，并且光速是恒定的，因此可以使用上面的公式輕松計(jì)算距離。這樣，可以確定物體表面上的所有點(diǎn)。

使用調(diào)幅波的相移

接下來(lái)，ToF還可以使用連續(xù)波來(lái)檢測(cè)反射光的相移以確定深度和距離。

通過(guò)調(diào)制振幅，它可以創(chuàng)建具有已知頻率的正弦形式的光源，從而使檢測(cè)器能夠確定反射光的相移并使用以下公式：

其中c是光速（c = 3×10^8 m / s），λ是一個(gè)波長(zhǎng)（λ= 15 m），f是頻率，傳感器上的每個(gè)點(diǎn)都可以很容易地計(jì)算出深入。

隨著我們以光速工作，所有這些事情都發(fā)生得非?？臁Ｄ芟胂髠鞲衅髂軌驕y(cè)量的精度和速度嗎？讓我舉一個(gè)例子，光以每秒30萬(wàn)公里的速度傳播，如果一個(gè)物體離您5m，光離開(kāi)相機(jī)與返回之間的時(shí)間差約為33納秒，僅相當(dāng)于0.000000033秒！哇！更不用說(shuō)，捕獲的數(shù)據(jù)將針對(duì)圖像中的每個(gè)像素，為您提供精確的3D數(shù)字表示。

無(wú)論使用哪種原理，提供能夠照亮整個(gè)場(chǎng)景的光源都可以使傳感器確定所有點(diǎn)的深度。這樣的結(jié)果為您提供了一個(gè)距離圖，其中每個(gè)像素編碼到場(chǎng)景中相應(yīng)點(diǎn)的距離。以下是ToF范圍圖的示例：

現(xiàn)在我們知道ToF可以工作了，為什么很好呢？為什么要使用它？他們有什么好處？不用擔(dān)心，使用ToF傳感器的優(yōu)點(diǎn)很多，當(dāng)然也有一定的局限性。

使用飛行時(shí)間傳感器的好處

精確快速的測(cè)量

與其他距離傳感器（例如超聲波或激光）相比，飛行時(shí)間傳感器能夠非常快速地組成場(chǎng)景的3D圖像。例如，ToF相機(jī)僅需一次即可完成此操作。不僅如此，ToF傳感器能夠在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地檢測(cè)物體，并且不受濕度，氣壓和溫度的影響，使其適合于室內(nèi)和室外使用。

長(zhǎng)距離

由于ToF傳感器使用激光，因此它們也能夠高精度地測(cè)量遠(yuǎn)距離和范圍。例如，我們的RPLiDAR S1便攜式ToF激光掃描儀套件？的射程為40m！因此，ToF傳感器具有靈活性，因?yàn)樗鼈兡軌驒z測(cè)各種形狀和大小的近距離和遠(yuǎn)距離物體。

從某種意義上說(shuō)，它也是靈活的，因?yàn)槟軌蜃远x系統(tǒng)的光學(xué)部件，以實(shí)現(xiàn)最佳性能，您可以在其中選擇發(fā)射器和接收器類型以及透鏡，以獲得所需的視野。

安全

擔(dān)心從ToF傳感器發(fā)出的激光會(huì)傷害您的眼睛嗎？別擔(dān)心！現(xiàn)在，許多ToF傳感器都使用低功率紅外激光作為光源，并通過(guò)調(diào)制脈沖驅(qū)動(dòng)它。傳感器達(dá)到1類激光安全標(biāo)準(zhǔn)，可確保其對(duì)人眼的安全。

具有成本效益

與其他3D深度范圍掃描技術(shù)（例如結(jié)構(gòu)化光相機(jī)系統(tǒng)或激光測(cè)距儀）相比，ToF傳感器與它們相比要便宜得多。

盡管有所有這些限制，ToF仍然非?？煽?，并且是捕獲3D信息的非?？焖俚姆椒?。

ToF的局限性

盡管ToF有很多好處，但它也有局限性。ToF的一些局限性包括：

散射光

如果非常明亮的表面離您的ToF傳感器很近，它們可能會(huì)將太多的光散射到您的接收器中，并產(chǎn)生偽影和不必要的反射，因?yàn)槟腡oF傳感器只需要反射一次的光即可進(jìn)行測(cè)量。

多重反射

在角落和凹形上使用ToF傳感器時(shí)，它們可能會(huì)導(dǎo)致不必要的反射，因?yàn)楣饪赡軙?huì)多次反射，從而使測(cè)量失真。

環(huán)境光

在明亮的陽(yáng)光下戶外使用ToF相機(jī)可能會(huì)導(dǎo)致戶外使用困難。這是由于陽(yáng)光的高強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致傳感器像素快速飽和，從而無(wú)法檢測(cè)到從物體反射的實(shí)際光。

結(jié)語(yǔ)：

飛行時(shí)間傳感器可用于多種應(yīng)用中。從3D制圖，工業(yè)自動(dòng)化，障礙物檢測(cè)，自動(dòng)駕駛汽車，農(nóng)業(yè)，機(jī)器人技術(shù)，室內(nèi)導(dǎo)航，手勢(shì)識(shí)別，對(duì)象掃描，測(cè)量量，監(jiān)視到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)！ToF技術(shù)的應(yīng)用層出不窮。
責(zé)任編輯人：CC