TOF--TOF相机技术原理深入解析与分享

Posted 2021-01-10 pans0ul

TOF介绍

 

TOF, 即time of flight ,直译过来就是飞行时间。TOF的原理与他的名称对应，即，测量光在空间中飞行的时间，通过换算成距离，就可以测得摄像头与物体的距离。通常，TOF摄像头组成有一个发射模块，一个接收模块。发射模块可以是LED、激光等发射元件，它将发射例如850nm的调制红外光，物体经过反射后，由接收模块接收到反射的红外光。由于发射和接收的都是调制波，TOF摄像头可以计算发射和接收的相位差，通过换算得到深度值，即摄像头与物体的深度距离。

TOF-单点测距原理

一个简易的单点TOF系统组成如下图：

 

 

它由一个发射二极管、接收二极管、调制模块，解调模块、处理器几部分组成。调制模块负责调制发射的红外调制波，通过发射二极管将信号发射出去；解调模块负责对接受二极管接收到的反射红外波解调；处理器中包含ADC和数据处理，ADC是为了将模拟信号转化为数字信号，具体是什么模拟信号下文将会详细讲述；数据处理为了将测得的相位差换算成深度信息。

 

TOF-多点测距原理

目前，一个完整的TOF系统组成如下图：

 

它和传统RGB摄像头的组成结构基本相似。

它与点单的TOF系统比较区别在于，测量范围不是一个点，它是一个面，因此，接收模块变成了点阵的光敏传感器，通常使用的是CMOS传感器；在传感器前面、和发射二极管前面多了光学镜片，一个是为了红外波的辐射范围、一个是为了滤除850nm以外的光线，就是说，要保证进入传感器的光线只是850nm的，这样才能保证测量的准确度。

因为相位差即代表物体的与摄像头的距离，即深度，由于每个点的相位差不同，所以才能组成有关物体整幅深度图像。

 

TOF传感器工作原理

目前，TOF传感器工作原理中主要有两种，基于脉冲波（paulse base）的技术原理、基于连

续调制波（CW）的技术原理。

 

在这之前，需要知道解调模块是如何工作的，如何读取感光传感器上面的电荷量。以单点像素的读取测量为例：

 

 

整个读取测量过程主要分为4个步骤：

 

分别是，Reset;Integration;Readout;Deadtime

Reset：在上图中看到，Rst开关，在测量电荷量之前，需要将Rst开关闭合，让电容CA与CB充电，充好点之后断开。

Integration：Integration period ,DMIX0和DMIX1是由解调模块控制的开关，什么时候开关，与调制和解调的频率有关。当光子被感光元件(蓝色圆圈箭头)接收时，并且当DMIX0闭合时，这时候，充好电的电容CA就会和感光元件释放出来的电子中和，电容CA放电，直到中和完毕，最后得到的电容电平代表着接受光子数量和时间的电平。

Readout：中和完毕之后，Address Decode 开关打开，读取电容上的电平。

Deadtime：死区时间

 

从以上四个环节来看，Integration Time 是最重要的。

关于，为什么还会有DMIX1，下面将会解释到。

基于脉冲波（paulse base）的技术原理

发射模块发射矩形脉冲波，物体发射后具有相位差的脉冲波，测量相位差的方法如下图：

 

 

 

发射脉冲可以设定一个频率f，并且开启两个反向的窗口，DMIX0与DMIX1用来接收光子的数量， 一个窗口的频率和相位是与发射脉冲是一致的，另外一个是与DMIX1反向，并且相位差为180。

在两个窗口打开的时候，也就是高电平的时候，并且这时候存在物体反射过来的脉冲波，这时候两个不同窗口在各自的时间内收集电荷。在图上已经用红色上色表示。假设DMIX0收集到的电荷量为Q0，DMIX1收集到的电荷量为Q1。Q0与Q1相加的这部分就是有反射脉冲时间内收集的电荷量。

td表示相位差存在的时间，为了计算td，可以通过计算Q1在反射脉冲所占的时间，为了计算Q1这部分的时间，我们可以读取DMIX0与DMIX1窗口上的电平，也就是Q0加Q1与Q1的比值，再乘上发射电平高电平的时间。因此，可以通过式子计算相位差d：

 

注：以上的整个过程称为IntegrationTime

 

基于连续调制波（CW）的技术原理

连续调制波在脉冲波的基础上而来，连续调制波通常是连续正弦波调制，与脉冲不同的是，连续调制波开启了4个窗口分别是C1-C4.如下图所示。

 

 

 

由于连续调制波通常是连续正弦波调制，可以将调制波看成是正弦波如下图所示。

 

 

 

 

连续正弦波调制测量方法，推导过程如下。序号1-9对应下图的公式1-8。

1.        假设发射的正弦信号s(t)振幅是a，调制频率是f

2.        经过时延 △t后接收到的信号为接收r(t)，衰减后的振幅为A，强度偏移（由环境光引起）为B

3.        四个采样时间间隔相等，均为T/4

4.        根据上述采样时间可以列出四个方程组

5.        从而可以计算出发射和接收的正弦信号的相位偏移△φ

6.        据此可以根据（6）中公式计算物体和深度相机的距离d

7.        接收信号的衰减后的振幅A的计算结果

8.        接收信号强度偏移B的计算结果，反映了环境光

 

 

 

更加详细的推导过程如下：

 

 

其实两种基于不同原理的计算相位的方法差不多，连续调制波相对复杂。关于如何推到，更多的是数学的部分，最后计算d公式中，其实表示的含义是一样的，只是符号不同罢了。

 

两种基于不同测量方法的优缺点分析

基于脉冲波（paulse base）的技术原理

优点：

1.         因为不用计算振幅和环境光，测量方法简单，响应较快，可以提高相机的帧率

缺点：

1.         由于没有抵消环境光对测量的影响，所以将会受到环境光的影响

2.         相对于CW的方案，测量精度较低，但也不会低到离谱

 

基于连续调制波（CW）的技术原理

优点：

1.         相位偏移（公式5）中的(r2-r0)和(r1-r3)相对于脉冲调试法消除了由于测量器件或者环境光引起的固定偏差。连续调制波使用多个测量窗口，(Q 3 -Q 4 )及(Q 1 -Q 2 )可以减掉测量中的共同成分（复位电压，环境光，电容增益等）及其中的偏差。

2.         可以根据接收信号的振幅A和强度偏移B来间接的估算深度测量结果的精确程度（方差）。

3.         不要求光源必须是短时高强度脉冲，可以采用不同类型的光源，运用不同的调制方法

缺点：

1.         需要多次采样，测量时间较长，限制了相机的帧率

2.         因为采集和计算量大，导致在相同成本的产品中，深度分辨率降低

 

参考文献：

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

2. TI documents