作為智能手機(jī)的三大創(chuàng)新之一，3D ToF深度傳感技術(shù)依靠體積小、誤差低、直接輸出深度數(shù)據(jù)與抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢，成為近年來智能手機(jī)上的關(guān)鍵創(chuàng)新亮點(diǎn)之一。
ToF技術(shù)解碼
ToF是Time of Flight的縮寫，又稱飛行時(shí)間法3D成像。這種成像技術(shù)通過向目標(biāo)****連續(xù)的特定波長的紅外光線脈沖，通過特定傳感器接收待測物體傳回的光信號(hào)，計(jì)算光線往返的飛行時(shí)間或相位差得到待測物體的3D深度信息，ToF相機(jī)的亮度圖像可以通過模型迅速連接起來。
相比3D深度視覺其它兩種方案（結(jié)構(gòu)光與雙目立體成像技術(shù)）而言， ToF方案在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢顯著。例如：在畫面拍攝后計(jì)算景深時(shí)不需要進(jìn)行后處理，既可避免延遲又可節(jié)省采用強(qiáng)大后處理系統(tǒng)帶來的相關(guān)成本；ToF測距規(guī)模彈性大，大多數(shù)情況下只需改變光源強(qiáng)度、光學(xué)視野以及****脈沖頻率即可完成；由于具有不易受外界光干擾、體積小巧、響應(yīng)速度快以及識(shí)別精度高等多重優(yōu)勢，使得ToF無論是在移動(dòng)端還是車載等應(yīng)用領(lǐng)域日漸成為3D視覺的首選技術(shù)方案。目前，ToF技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，包括：
消費(fèi)電子：虛擬現(xiàn)實(shí)、人臉識(shí)別、體感交互等新零售：手勢識(shí)別、客流統(tǒng)計(jì)、行為識(shí)別等智能安防：人臉識(shí)別、行為分析等工業(yè)級(jí)自動(dòng)化：自動(dòng)避障、測量測距、感知定位等醫(yī)療電子：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、遠(yuǎn)程交互等汽車電子：輔助駕駛、人臉識(shí)別、手勢識(shí)別等
TOF測量原理
TOF飛行時(shí)間，即傳感器發(fā)出經(jīng)調(diào)制的近紅外光，遇物體后反射，傳感器通過計(jì)算光線****和反射時(shí)間差或相位差，來換算被拍攝景物的距離，以產(chǎn)生深度信息，此外再結(jié)合傳統(tǒng)的相機(jī)拍攝，就能將物體的三維輪廓以不同顏色代表不同距離的地形圖方式呈現(xiàn)出來。
****的紅外光線被被測物體反射后回到傳感器，內(nèi)置的計(jì)時(shí)器記錄其來回時(shí)間，然后即可計(jì)算出其距離。聽起來好像和大家玩爛了的超聲波測距沒啥不同。但其實(shí)不然，超聲波測距對(duì)反射物體要求比較高，面積小的物體，如線、錐形物體就基本測不到，而TOF紅外測距完全可克服此問題，同時(shí)TOF測距精度高，測距遠(yuǎn)，響應(yīng)快。
這種技術(shù)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(diǎn)掃描，而TOF相機(jī)則是同時(shí)得到整幅圖像的深度信息。
ToF的原理是通過光子的反射測距。傳統(tǒng)上是紅外測距，但紅外測距沒有計(jì)算時(shí)間差的能力，主要靠測光強(qiáng)，但打在黑色、白色等顏色物體上，由于材料本身的吸收度不同，也會(huì)影響測距效果，因此ST的FlightSense采用計(jì)算****和返回的光子時(shí)間差，即計(jì)算飛行時(shí)間(ToF)方案。另外在集成度上，ST的方案是****和接收都做在一起，而紅外測距往往是分立方案。
| 第一代 VL6180X | 第二代 VL53L0X | 第三代 VL53L1X |
| 測距 | 40cm | 2m | 4m |
| 激光器 | 850nm | 940nm | 940nm |
| 視場角 | 25° | 25° | 27° |
| 環(huán)境光感測 | 有 | 無 | 無 |
| 測距精度 | ±10mm | ±3% | ±1%
|
市面上有多家公司采用ToF方法，但主要采用相位測距法，主要用于工業(yè)，原理是脈沖計(jì)算法，但在波谷的能量就不測量了，會(huì)造成能量損失。
為何ST方案的測距角度都是25°?因手機(jī)鏡頭弧度是25°左右，所以市面上的產(chǎn)品往往是25~30°視角。FlightSense二代之所以是2米測距，因手機(jī)拍攝的理想距離是1.2~1.5米。
市面上有多家公司采用ToF方法，但主要采用相位測距法，主要用于工業(yè)，原理是脈沖計(jì)算法，但在波谷的能量就不測量了，會(huì)造成能量損失。
飛行時(shí)間(ToF)傳感系統(tǒng)是最有盈利空間的創(chuàng)新成像技術(shù)之一。市場上的主要消費(fèi)類產(chǎn)品制造商都希望在各種智能硬件中集成飛行時(shí)間(ToF)測距，以提供3D成像、接近感應(yīng)、環(huán)境光感測、手勢識(shí)別等功能。
意法半導(dǎo)體在飛行時(shí)間(ToF)傳感方面潛心研究，而iPhone 7 Plus中的飛行時(shí)間(ToF)測距傳感器是意法半導(dǎo)體為蘋果公司定制的產(chǎn)品。
這款為蘋果定制的產(chǎn)品位于iPhone手機(jī)前面、主揚(yáng)聲器上方，采用光學(xué)柵格陣列(LGA)封裝形式，尺寸為2.8mm x 2.40mm，小于意法半導(dǎo)體對(duì)外公開銷售的任一款ToF傳感器。
蘋果iPhone 7 Plus拆解
ToF究竟是未來趨勢還是廠商套路
既然 TOF 的歷史已經(jīng)如此悠久，為啥近一年才成為消費(fèi)電子的熱詞呢?
因?yàn)楦拍畛霈F(xiàn)了混淆，如今熱議的 TOF 技術(shù)其實(shí)應(yīng)該叫 TOF 3D 技術(shù)，屬于 3D 視覺技術(shù)的一種，目標(biāo)是和 2D 相機(jī)配合建立物體和空間的立體模型，而之前的 TOF 只是點(diǎn)光源，只是用于測量前方物體距離有多遠(yuǎn)而已，無論從實(shí)現(xiàn)目標(biāo)還是復(fù)雜度來說都不能相提并論。
此外，有關(guān) TOF 3D 的基本原理還是要再簡單講一下，首先通過紅外光源，打出超短的脈沖信號(hào)，形態(tài)是面光，要求覆蓋整個(gè)視場范圍，然后通過紅外相機(jī)接收反射信號(hào)，在成像的同時(shí)也獲得了空間內(nèi)每個(gè)點(diǎn)收發(fā)信號(hào)的時(shí)間差，最后通過光速計(jì)算出距離，就能搞定視場內(nèi)整個(gè)空間的 3D 輪廓。
當(dāng)然，理論都是很美好的，否則沒人會(huì)愿意推進(jìn)它們的實(shí)用化，尤其對(duì)大家伙們來說，如今的產(chǎn)品做到了什么程度才是關(guān)鍵。
好在這件事分析起來不難，因?yàn)槟壳爸髁魇袌錾嫌?TOF 3D 的產(chǎn)品也就三款，一個(gè)“前置”是 vivo NEX雙屏版，兩個(gè)后置，OPPO R17 Pro 和華為榮耀 V20。接下來我們逐個(gè)分析。
vivo NEX 雙屏版官方說的很明確，TOF 就是拿來搞面部識(shí)別用的，和結(jié)構(gòu)光一個(gè)玩法。模組上的合作伙伴是艾德諾半導(dǎo)體(ADI)，型號(hào)是 ADDI9036，鏡頭光圈 f/1.3，再就沒有其他的公開資料。不過從 ADI 以往展出的產(chǎn)品來看，最近的是 ADDI9033，用于工業(yè)機(jī)械臂，sensor 分辨率是 VGA(640*480) 水準(zhǔn)，這樣可以推知 9036 應(yīng)該是 9033 的衍生版本。
其中值得一提的是，對(duì)于前置面部識(shí)別來說，行業(yè)內(nèi)主流的選擇是結(jié)構(gòu)光，原因各家有多次科普，這里就簡單提一下，即在正常使用距離(0.2-1.2m)，結(jié)構(gòu)光的深度精度明顯比 TOF 更有優(yōu)勢，TOF 則需要更遠(yuǎn)一些才能發(fā)揮。這很好理解，畢竟距離太近的話，精度需求也更細(xì)微，信號(hào)來回時(shí)間太短，甚至接近于信號(hào)本身的脈沖長度，算起來誤差就會(huì)很大，而距離變長的話，結(jié)構(gòu)光實(shí)際有效的采集點(diǎn)會(huì)變少，單個(gè)斑點(diǎn)面積會(huì)變大，精度當(dāng)然也會(huì)有明顯的損失。不過從實(shí)際產(chǎn)品來看，vivo NEX 至少接入了支付寶的面容支付，說明安全性上用起來并沒啥問題。
而在構(gòu)造上，從實(shí)際產(chǎn)品來看，TOF 面部和結(jié)構(gòu)光都是 3 個(gè)必需元器件，但不同在于，結(jié)構(gòu)光需要點(diǎn)陣投影器和紅外相機(jī)拉開一定的距離，因此它們?cè)谒挟a(chǎn)品上都是分居左右兩側(cè)的，而 TOF 沒這種需求，因而相對(duì)來說堆疊比較簡單。
至于 vivo 官方所宣稱的“TOF 精度是結(jié)構(gòu)光的 10 倍”，則應(yīng)該是指其 sensor 的 VGA 分辨率，640*480=307200 正好 30 萬像素，是結(jié)構(gòu)光 3 萬個(gè)點(diǎn)陣的“10 倍”。不過這很顯然是偷換概念，畢竟結(jié)構(gòu)光的點(diǎn)陣和 sensor 的分辨率并不能混為一談，真要論起來，結(jié)構(gòu)光陣營最低端的 OV9282 都有 100 萬像素，數(shù)量碾壓 TOF，而高端 TOF sensor 用的 IMX456QL，單像素尺寸 10μm，反過來又碾壓了結(jié)構(gòu)光普遍的 3μm，你說這事該咋整?
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