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電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）智能感知一直是近幾年的熱門話題，智能傳感，智能硬件相關(guān)領(lǐng)域保持了穩(wěn)定且持續(xù)的增長(zhǎng)。機(jī)器人是智能傳感應(yīng)用中非常重要的一大類別，目前機(jī)器人里傳感器的種類與數(shù)量已經(jīng)不少了，壓力、溫度、速度、視覺(jué)等各個(gè)方面都少不了傳感提供的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。隨著機(jī)器人的升級(jí)換代，機(jī)器人與人協(xié)作發(fā)展的趨勢(shì)愈發(fā)明顯，這也需要更加智能更加全面的感知系統(tǒng)。

機(jī)器人系統(tǒng)的性能，尤其是要求智能化的性能，在很大程度上取決于感知系統(tǒng)提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。現(xiàn)在各種精密智能的傳感器，再加上能夠?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)進(jìn)行深度融合整理的系統(tǒng)讓機(jī)器人擁有了出色的感知，機(jī)器人與人共同協(xié)作不再是不可能實(shí)現(xiàn)的事。其中，ToF模塊就發(fā)揮了重要作用。

3D iToF，圖源：ADI

ToF中的dToF與iToF

機(jī)器人3D視覺(jué)領(lǐng)域的ToF、結(jié)構(gòu)光和雙目立體視覺(jué)方法都各有優(yōu)劣，技術(shù)路線尚未達(dá)成共識(shí)。在這三種技術(shù)路線中，ToF的可探測(cè)距離是最遠(yuǎn)的，雖然它能達(dá)到的分辨率（640×480）并不如結(jié)構(gòu)光（1080×720）和雙目立體視覺(jué)（2K）。支持ToF的設(shè)計(jì)者大多是看上了ToF比較另外兩種3D深度信息計(jì)算量更小，抗干擾性更強(qiáng)的特點(diǎn)。

dToF與iToF是兩種基本成像原理，dToF直接測(cè)量飛行時(shí)間，iToF間接測(cè)量飛行時(shí)間。dToF有一個(gè)核心組件SPAD，一種單光子探測(cè)能力的光電探測(cè)雪崩二極管，只需要微弱的光信號(hào)就能產(chǎn)生電流。SPAD工藝復(fù)雜制造難度極大，但又關(guān)系到整個(gè)dToF的精度，能做這一塊的廠商不算多，所以我們常見(jiàn)的基本是推廣iToF的。

iToF不直接測(cè)量光的飛行時(shí)間，而通過(guò)測(cè)量相位偏移間接測(cè)量光的飛行時(shí)間。VCSEL發(fā)射調(diào)制光后圖像傳感器在曝光時(shí)間內(nèi)接受反射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。所以iTOF的精度取決于光強(qiáng)和曝光時(shí)間。這里要提到的是雖然上面提到了在ToF、結(jié)構(gòu)光和雙目立體視覺(jué)方法中ToF可探測(cè)距離是最遠(yuǎn)的，但是距離較遠(yuǎn)時(shí)，測(cè)距精度也會(huì)下降。

機(jī)器人中的3D iToF

現(xiàn)在一些機(jī)器人也加入了3D iToF深度視覺(jué)模組來(lái)加強(qiáng)感知能力，機(jī)器視覺(jué)作為人工智能的重要分支，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)化和智能化的關(guān)鍵核心技術(shù)，發(fā)展前景巨大。根據(jù)YOLE預(yù)測(cè)，2021年各類3D傳感的增長(zhǎng)速度中ToF是最快的，ToF市場(chǎng)的CAGR為21%，超過(guò)行業(yè)平均14.5%的增速。

2D平面成像丟失了物理世界中的第三維信息，如尺寸和距離等幾何數(shù)據(jù)，在確實(shí)一維數(shù)據(jù)的情況下機(jī)器人只能實(shí)現(xiàn)影像記錄和平面圖像特征識(shí)別，分析算法難度極大。3D深度相機(jī)能夠識(shí)別視野內(nèi)空間每個(gè)點(diǎn)位的三維坐標(biāo)信息，能復(fù)原完整的三維世界并實(shí)現(xiàn)各種智能的三維定位，能有效解決2D機(jī)器視覺(jué)對(duì)于高度、厚度、體積、平面度等測(cè)量因素缺失的問(wèn)題。

各類功能相對(duì)簡(jiǎn)單的移動(dòng)機(jī)器人中，iToF也是很高性價(jià)比一種應(yīng)用，搭配SLAM算法可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃。與之類似的是低成本激光雷達(dá)，不需要對(duì)環(huán)境和目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，既能很好地完成避障導(dǎo)航成本也不高。

仿生機(jī)器人上iToF的應(yīng)用更為廣泛。今年小米的秋季發(fā)布會(huì)上，小米的首款全尺寸人形仿生機(jī)器人CyberOne就搭載了基于iToF+RGB深度測(cè)量技術(shù)的3D智能深度相機(jī)，結(jié)合AI交互算法，機(jī)器人不僅擁有完整的三維空間感知能力，還能實(shí)現(xiàn)人物身份識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別、表情識(shí)別等多種智能功能。

3D景深測(cè)量高分辨率iToF模塊

CyberOne搭載的3D智能深度相機(jī)就是基于歐菲光的iToF+RGB深度測(cè)量模塊，該模塊深度分辨率最高支持640×480，幀率為30fps。深度的FoV為水平方向76°，垂直方向?yàn)?1°。深度測(cè)量方面，目前支持室內(nèi)0.1米到5米的測(cè)量范圍，室外0.1到3米的測(cè)量需求，在測(cè)量范圍內(nèi)精度高達(dá)1%。

ADI今年也發(fā)布了3D景深測(cè)量高分辨率iToF模塊ADTF3175，基于100萬(wàn)像素的CMOS iToF成像器，用于感知3D空間。分辨率高達(dá)1024×1024，F(xiàn)OV為75°×75°。深度測(cè)量方面，支持0.4m至4m的測(cè)量范圍，整個(gè)深度精度高達(dá)±3mm。

小結(jié)

在機(jī)器人領(lǐng)域，目前3D iToF主要用于避障、SLAM、AI識(shí)別這些應(yīng)用上。對(duì)高性價(jià)比的iToF深度相機(jī)的需求正在機(jī)器人領(lǐng)域迅速增長(zhǎng)，尤其是在帶有服務(wù)性質(zhì)的機(jī)器人產(chǎn)品中，如掃地機(jī)機(jī)器人，送餐機(jī)器人、酒店服務(wù)機(jī)器人。3D視覺(jué)感知技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)器人行業(yè)的升級(jí)。

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原文標(biāo)題：3D視覺(jué)感知需求火熱，機(jī)器人應(yīng)用中的3D iToF

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