ToF技术的三个典型应用场景案例浅析

在各类新型智能终端市场的持续催动下，计算机视觉技术如今已然进入了大爆发时代。作为3D深度视觉领域和双目视觉及结构光并列的三大主流方案之一，近年来飞行时间（ToF）技术在智能手机、汽车、安防、医疗、和工业等热门应用市场表现出了极佳的市场潜力。并且凭借不易受外界光干扰、可适用于多种环境下工作，且体积小巧、响应速度快、识别精度高、动态感测范围更宽等多重优势，ToF 日渐成为深度传感的首选技术方案。在高分辨率深度数据与强大的分类算法以及AI相结合的巨大推力下，3D深度传感ToF技术正在解锁更多新的应用方向。 

从ADI的ToF方案的发展，也能窥见该技术的边界在不断地拓展。2014年，ADI公司为国外知名AR眼镜定制ToF方案，成功落地并实现人机交互和3D重建功能；2016-2017年，ADI ToF技术用于车内手势识别；2018年，ADI ToF技术开始与品牌手机合作并成功批量上市，进入国民级应用场景……本文通过列举几个不同领域的ADI ToF应用场景案例，以期与大家一同展望ToF的未来发展。 

ADI ToF方案应用发展时间轴

ToF技术应用的几大典型场景

充当自动驾驶的“眼睛”

ToF逐渐成为提升车辆安全性的关键技术，背后还得从汽车安全说起。2018年联合国公布的数据显示，全球每年约有125万人因道路交通事故丧生。美国高速公路安全保险机构认为，汽车配备基础的智能辅助系统可以避免超过60%的交通事故。因此，国内外各大厂商近年来纷纷在ADAS领域大展拳脚之际，被誉为汽车“眼睛”的ToF技术也随之水涨船高。MarketsandMarkets预计，ToF传感器市场规模将从2020年的28亿美元增长到2025年的69亿美元，而市场持续扩张主要源自汽车产业对ToF传感器需求的增长。 

ADI与Jungo合作开发座舱监测技术

当前，ToF在汽车行业的应用主要分为三个领域：一是座舱内部的驾驶者疲劳监测、手势识别、人脸识别；二是固态激光雷达，其可以看做一种固态激光雷达，有Flash型和单光子型；第三个领域则是自动泊车领域。去年2月，知名半导体公司ADI宣布与Jungo合作开发基于ToF和2D红外(IR)技术的摄像头解决方案，以实现车内驾驶员及座舱监测。在此次ADI与Jungo的合作中，ADI提供ToF技术和Jungo的CoDriver软件相结合，有望通过观察头部、身体位置以及眼睛注视情况，监测车内人员的睡意和注意力分散程度。该解决方案意义重大，汽车能实时侦测到驾驶人员是否准备接管汽车。该解决方案还有望实现基于面部、身体和手势的智能交互，提供各个车内人员的人脸识别功能，从而实现个性化信息娱乐及服务以及拼车支付等功能。ADI公司专家对此次合作给予了高度评价，认为此次合作可以将座舱监测和基于ToF的驾驶员和乘客监测提升到一个新的水平，进而提高车辆安全性。 

解决新手父母的焦虑

如果你已经是父母了，或许在孩子刚出生的阶段做过这样的事情——宝宝在睡觉，看着一动不动，你就会用手去探宝宝的鼻子，看看宝宝是不是在正常呼吸，手上有了温热的呼吸气体才会放心。一般大家管这种行为称之为“新手父母的焦虑”。如今，这一焦虑可以利用ToF技术来消除了。由ADI公司、Arrow、香港中文大学等共同完成的利用ToF技术针对健康护理产品的概念验证设计可轻松测量婴儿的胸部活动，从而计算呼吸频率，并将这些信息传输至移动设备。 

据介绍，ADI这款业界首款针对健康护理产品的概念验证设计在智能传感算法的支持下，能够为呼吸模式监测和微小动作检测提供高精度的，纳秒级实时传感数据。该设计的监视器最前面采用ADI的ToF技术摄像头，在婴儿呼吸时，监视器会传输实时数据，这些数据通过自定义滤波器和增强算法，让监护人能够测量婴儿的胸部活动，移动设备会基于婴儿的呼吸频率实时刷新这些信息。此外，对于小月龄的婴儿来说，在还不能熟练翻身的情况下，趴着也有一定的危险性，该监视器也能够监测婴儿是否翻身，这一动作在移动设备中也会清晰的看到。

利用ToF技术针对健康护理产品的概念验证设计

据悉，该项概念设计将被为摩托罗拉智能育儿品牌提供物联网技术和平台服务的供应商HubbleConnected 公司采用，有了这项监视器产品，新手爸妈再也不需半夜起身用手指探婴儿的鼻息或查看宝宝是否翻身，只需拿起手边的移动设备就可了解宝宝的状态啦。 

为安全生产保驾护航

在人类与机器人的合作问题上，安全性永远是要考虑的首要问题，尤其是当机器人身处较为拥挤的工作环境中，它们必须能辨认人与机械以及机械的动作，并作出迅速的反应以避免受伤。因此，自动化工厂中的各类机器人都需要自主避障，如果以激光雷达来解决，成本则需要增加数万元，用双摄像头方案又需要大量的运算和双摄像头精准位置的调教，而ToF则成为解决上述难题的极具性价比的最佳选择。 

ADI对于ToF则提供了从硬件芯片到依附于硬件芯片上的算法等多种灵活的方案，其ToF电子围栏方案能设立虚拟安全防护墙，借 ToF 信号处理器 ADDI9033 搭配红外光感测组件，采用具有 ToF 测距技术的组件，可应用于工业自动化中安全防护的 Virtual Wall 方案。此外，利用 ToF 的深度资料，ADI 的方案还可以有效地增加影像的辨识度，达到对象判断的精准度，提供以往机器所没有的机器视觉，避免了激光雷达与双摄像头方案的缺陷。 

ADI ToF电子围栏工业自动化应用

此外，在工厂自动化领域，ToF技术还可以用于拾取放置作业以及装配作业。在这些应用中，机器人配备了一个或多个ToF相机，可以扫描周围的环境，识别并抓取物体，运送至其他地点再放下或将物体挂到某处。ToF相机也常被应用于需要进行质量保证的把关，它们可以识别尺寸不准确的物体或形状，也能识别物体上的破损与破洞，防止瑕疵品进入生产过程。 

打造系统级ToF解决方案

ADI是为数不多拥有技术专长、可提供兼具高性能和成本效益的ToF解决方案的公司之一。ADI的脉冲ToFCCD系统，使用高性能ToF CCD和集成了12位ADC、深度处理器（将来自CCD的原始模拟图像信号处理成深度/像素数据），以及高精度时钟发生器（为CCD和激光器生成驱动时序）的ToF模拟处理前端ADDI903x。

ADI ToF系统功能框图

ADI的ToF系统相比其它方案具备以下优点：

使用了分辨率为640×480的ToF图像传感器，比市面上大部分ToF解决方案的分辨率高4倍。

使用了对940nm波长高度灵敏的传感器，能够在室外环境或具有强环境光的区域采集到更多的有效信号。 

深度处理器采用伪随机化算法和特殊的图像处理功能，可以消除多机干扰，因此可以在同个环境中使用多个ADI的ToF系统。