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​iPad首发DToF技术,它将改变AR行业?

·2020-03-25 18:58·电子发烧友
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手机已经成为了人类器官的延伸。它拓展了我们信息获取和处理的能力,它是我们的第二对耳朵、第二双眼睛。

但是在过去很长一段时间里,手机这双“眼睛”看到的都是一个平面的世界,而3D视觉技术,可以很好的解决这个问题,让手机从平面视觉到立体视觉,目前行业中三种主流的3D视觉方案为:双目立体视觉方案、3D结构光方案、TOF方案,下面是3D视觉方案对比。

最近苹果发布了新款 i Pad Pro,最主要的硬件升级并非身后的“浴霸双摄”,而是摄像头旁搭载的dToF 激光雷达 ,iPad Pro因此成为了苹果 ToF技术的首发平台。

ToF 技术中DTOF 激光 雷达更具优势

iPad Pro上所搭载的激光雷达(Light De te c ti on And Ranging)其实和手机上采用的ToF摄像头都属于雷达技术,以飞行时间距离( TI me of Flight,飞行时间)捕捉 3D 图像。主要原理是利用雷达发射光波,光波遇到不可穿透物体会发生反射,通过记录反射光到达接收器的时间,便能快速计算出光源与物体的距离,由此便得到一张被测物体的 3D 图像。

但是,不同的雷达发射的光波都不一样,所获得的图像分辨率和清晰度也有差别。

手机通常采用的 ToF 技术选用的雷达波长,发射的也属于 红外 面光源,接收到的是深度平面信息,成像精度有限,仍然无法捕捉高精度动 3D 图像。而iPad Pro 选用的激光雷达,其发射的是脉冲红外激光,接收单点位置,形成点云图后再变成三维模型,精度更高。

▲ TOF 相机工作原理

▲通过ToF获得的物体距离和深度信息图

此外,激光雷达发射的光波存在两种调制方式:直接飞行时间(Direct-ToF) 测量 和间接飞行时间(Indirect-ToF)测量,直接测距,是通过发射、接收光并测量光子飞行时间,直接计算确定距离,而非直接测距iToF,是通过测量发射波形和接收波形间的相位差来换算,从而确定距离,直接测距拥有响应快、功耗低等优势。

dToF 和 iToF 的区别



dToF 和 iToF 的原理区别主要在于发射和反射光的区别。dToF 的原理比较直接,即直接发射一个光脉冲,之后测量反射光脉冲和发射光脉冲之间的时间间隔,就可以得到光的飞行时间。而 iToF 的原理则要复杂一些。在 iToF 中,发射的并非一个光脉冲,而是调制过的光。接收到的反射调制光和发射的调制光之间存在一个相位差,通过检测该相位差就能测量出飞行时间,从而估计出距离。



iToF的(indirect TI me of flight,间接ToF)技术。所谓间接ToF,并不是直接测量光发射返回的时间,而是根据相位偏移来间接计算距离。



众所周知,光具有波粒二象性,也就是说我们可以通过发射光和返回光的相位偏差,和收发的时间进行函数运算,来获得具体的距离。例如激光发射器可以发射850nm的调制红外光,反射回来滤片过滤之后接收的自然也就是调制红外光。

具体计算方法比较复杂,这里就不进行阐述,但基本的测量指标只有几个基本要件:光发射的振幅、频率,而反射回来的光要经过四个快门的判定,以此来得出时延、衰减后的振幅以及强度偏移(环境光),最后就可以计算出相位偏移,而加上环境光影响的强度偏移,可以得出距离。



之所以iToF设立如此繁杂的机制,归根结底是因为有利于小型化。如今的手机上的iToF的芯片像素可以小到5um,以此来实现较高的分辨率(现在可以做到640*480左右)。并且系统容易集成,不需要额外的测量 电路 。不过这种运算方式,需要高帧率图像进行运算,功耗不小。



而相比之下,dToF的原理就简单多了,和手机厂商一开始和我们“科普”的一样。dToF只需要发射脉冲波,然后光反射回来被接收,只要计算光发射和返回的时间,自然就可以计算距离了。



在具体的实现上,dToF 相较于 iToF 来说难度要大许多。dToF 的难点在于要检测的光信号是一个脉冲信号,因此检测器对于光的敏感度比需要非常高。常见的 dToF 传感器 实现是使用 SPAD (single-photon avalanche diode ,单光子雪崩 二极管 )。

此外,从读出电路来看,dToF 需要能分辨出非常精细的时间差(通常使用 TI me-to-digital converter,TDC 来实现)。例如如果需要实现 1.5cm 的测距精度,则 TDC 的分辨率需要达到 10ps,这一点并不容易。

以上关于 dToF 和 iToF 的对比是针对传统的技术而言。随着近几年深度传感器和 LiDAR 的发展,dToF 也得到了长足的发展。从光传感器像素来看,dToF 目前也可以使用 CMOS 工艺实现,并且已经可以实现不错的 2D 分辨率。

5G 加持下DToF增强AR体验

在5G时代到来之际,5G除了会带来极高的网速之外,还会促进部分生态发展成熟,这其中就包括AR。从技术角度讲,AR结合未来体感技术的加持,将为用户打造“真实的虚拟世界”。而这,很可能将使AR在5G时代焕发出新的活力,成为5G时代的一个全新增长点。

苹果iPad Pro用的就是DToF,而 华为 Mate30、vivo NEX等机型用的是iToF。DToF相比于iToF在性能上要好很多,但在生产工艺上也更复杂。由于采用DToF方法,iPad Pro背部的激光雷达将能解决直接测距面临的低时间分辨率难题,达ps(皮秒)级时间分辨率,精度也不会随距离拉远有大的衰减。iPad Pro的ToF相机性能将提升的不是一点半点,它带来了一颗进化版的ToF镜头,AR体验的精准度、流畅度将大大提高,功耗也会大大降低。

本文由电子发烧友综合报道,内容参考自@过目不忘的鱼、腾讯新闻、 ams 等,转载请注明以上来源和出处。

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