【導(dǎo)讀】3D飛行時(shí)間（3D ToF）是一種無(wú)掃描儀LIDAR（光檢測(cè)和測(cè)距，激光雷達(dá)）技術(shù)，通過(guò)發(fā)射納秒級(jí)的高功率光脈沖來(lái)捕獲相關(guān)場(chǎng)景的深度信息（通常是短距離內(nèi)），已經(jīng)廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、工業(yè)4.0、汽車(chē)、醫(yī)療健康、安防和監(jiān)控、機(jī)器人等領(lǐng)域。本文將為您介紹3D ToF技術(shù)的發(fā)展與ADI推出的相關(guān)解決方案。
3D ToF技術(shù)可精準(zhǔn)進(jìn)行距離測(cè)量
3D ToF技術(shù)是采用ToF攝像頭通過(guò)使用調(diào)制光源（例如激光）主動(dòng)照亮物體，然后用對(duì)激光波長(zhǎng)敏感的傳感器捕捉反射光，以此測(cè)量距離。傳感器測(cè)量從攝像頭發(fā)射光，到攝像頭接收到發(fā)射光之間的時(shí)間延遲?。時(shí)間延遲與攝像頭和物體之間的兩倍距離（往返）成正比；因此，距離可以估算為深度 = cΔ/2，其中c表示光速。
目前存在多種不同的測(cè)量?T的方法，其中兩種最為常用，包括連續(xù)波（CW）方法和脈沖方法。值得注意的是，目前已經(jīng)實(shí)施且在市面上使用的絕大多數(shù)連續(xù)波ToF系統(tǒng)都使用CMOS傳感器，脈沖ToF系統(tǒng)則使用非CMOS傳感器（特別是CCD）。
3D ToF廣泛應(yīng)用在各種關(guān)鍵領(lǐng)域
3D ToF技術(shù)應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在消費(fèi)電子領(lǐng)域，包括從AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）和VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）頭戴式裝置到具有高級(jí)攝影和安全功能的智能手機(jī)，預(yù)計(jì)ToF技術(shù)將成為下一代消費(fèi)電子產(chǎn)品的重要組成部分。在AR/VR頭戴式裝置中，通過(guò)ToF系統(tǒng)獲取的深度信息能夠?yàn)橛脩?hù)提供額外的現(xiàn)實(shí)維度。在智能手機(jī)中，該技術(shù)將使攝像頭能夠產(chǎn)生數(shù)字單反相機(jī)質(zhì)量的攝影效果，實(shí)現(xiàn)更逼真的AR/VR功能，并提供額外的保護(hù)，避免不必要的外部訪(fǎng)問(wèn)。
在工業(yè)4.0應(yīng)用中的智能傳感器（特別是深度傳感器）在制造業(yè)以及運(yùn)輸和物流中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。從用于質(zhì)量檢查的工業(yè)機(jī)器視覺(jué)，用于資產(chǎn)管理的容量檢測(cè)到用于自主制造的導(dǎo)航設(shè)備，制造業(yè)正在采用這些傳感技術(shù)，并推動(dòng)開(kāi)發(fā)適合惡劣工業(yè)環(huán)境的高分辨率系統(tǒng)。
在下一代汽車(chē)應(yīng)用中，駕駛艙內(nèi)的ToF系統(tǒng)將能夠監(jiān)控駕駛員和乘客的位置和狀態(tài)，在駕駛員喪失駕駛能力的情況下控制并操縱汽車(chē)，確保車(chē)輛行駛安全。通過(guò)ToF技術(shù)實(shí)現(xiàn)的手勢(shì)控制系統(tǒng)將可能是下一代汽車(chē)用戶(hù)界面，允許駕駛員通過(guò)簡(jiǎn)單的手勢(shì)或觸控操作接聽(tīng)來(lái)電、切換音頻輸入源，甚至調(diào)節(jié)車(chē)內(nèi)溫度。
鑒于最近的疫情大流行，適用于遠(yuǎn)距離和深度測(cè)量的ToF技術(shù)在醫(yī)療健康領(lǐng)域變得更加重要。通過(guò)手勢(shì)進(jìn)行非接觸式控制操作、嬰兒呼吸的遠(yuǎn)程監(jiān)控，以及在各種環(huán)境中對(duì)社交距離的監(jiān)控等，這些都可以使用3D ToF技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在安防和監(jiān)控應(yīng)用中，與傳統(tǒng)的2D圖像檢測(cè)技術(shù)相比，3D ToF的高分辨率景深測(cè)量技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。高分辨率景深測(cè)量能夠更輕松可靠地區(qū)分人和物體，非常適合商業(yè)樓宇出入口的安防和監(jiān)控檢測(cè)，以及醫(yī)療環(huán)境的患者跌倒或受傷檢測(cè)。
此外，高分辨率ToF系統(tǒng)使自動(dòng)化機(jī)器和機(jī)器人可以感知環(huán)境、規(guī)劃路徑方面將變得至關(guān)重要，從而以?xún)?yōu)化、可靠和安全的方式完成任務(wù)。此外，3D成像可以在人類(lèi)和協(xié)作機(jī)器人協(xié)同工作的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)安全功能。協(xié)作機(jī)器人除了應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，也從工廠車(chē)間走進(jìn)新的應(yīng)用領(lǐng)域（比如醫(yī)療健康），可幫助護(hù)士進(jìn)行空間和表面消毒，或者協(xié)助完成某些測(cè)試，從而盡可能降低工作人員面臨的健康風(fēng)險(xiǎn)。
行業(yè)領(lǐng)先的完整3D ToF產(chǎn)品和解決方案
看到3D ToF技術(shù)的快速發(fā)展，ADI也提供多種可直接實(shí)現(xiàn)和提升先進(jìn)ToF系統(tǒng)和攝像頭功能的行業(yè)領(lǐng)先產(chǎn)品和解決方案，包括高分辨率CMOS成像芯片（100萬(wàn)像素）、深度計(jì)算和處理、激光驅(qū)動(dòng)器、電源管理以及開(kāi)發(fā)工具和軟件／固件，幫助快速實(shí)現(xiàn)ToF解決方案。此外，ADI利用全球合作伙伴網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)ToF模塊、攝像頭和設(shè)計(jì)服務(wù)，從而幫助縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間。
ADI推出的ADSD3100是一款基于CMOS 3D ToF的3D深度和2D可視光成像器，可用于集成到3D傳感器系統(tǒng)中。讀出所需的功能模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、像素偏置電路和傳感器控制邏輯，內(nèi)置在芯片中以便在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效的方案。
ADSD3100通過(guò)移動(dòng)行業(yè)處理器接口（MIPI）、攝像頭串行接口2（CSI-2）接口與主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行電氣接口。為了完成工作子系統(tǒng)，需要用于成像器的鏡頭和光學(xué)帶通濾波器，以及紅外光源和相關(guān)驅(qū)動(dòng)器。ADSD3100可應(yīng)用于智能手機(jī)、AR/VR、機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)（物流和庫(kù)存）、機(jī)器人（消費(fèi)電子和工業(yè)）等領(lǐng)域。
ADI推出的ADDI9036則是一款適用于電荷耦合器件（CCD）TOF成像應(yīng)用的完整45 MHz前端解決方案。ADDI9036包括一個(gè)模擬前端（AFE）、一個(gè)可編程指令集架構(gòu)（ISA）時(shí)序發(fā)生器（ISATG）、一個(gè)7通道激光二極管（LD）驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)7通道H驅(qū)動(dòng)器，和一個(gè)16通道垂直驅(qū)動(dòng)器（V驅(qū)動(dòng)器）。精密時(shí)序?內(nèi)核允許調(diào)整CCD水平時(shí)鐘和LD輸出，在45 MHz頻率下工作時(shí)的分辨率約為174 ps。
ADDI9036中的AFE包括黑色電平鉗位、一個(gè)相關(guān)雙采樣器（CDS）、一個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）和一個(gè)12位ADC。AFE數(shù)據(jù)通過(guò)MIPI? CSI-2傳輸接口進(jìn)行輸出，也可通過(guò)I2C串行接口對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行編程。ADDI9036采用6 mm × 6 mm 117球WLCSP封裝，并可以在?20℃至+85℃的工作溫度范圍內(nèi)工作。
ADI ADP362x/ADP363x則是高電流、雙通道高速驅(qū)動(dòng)器系列，能夠驅(qū)動(dòng)兩個(gè)獨(dú)立的N溝道功率MOSFET。該系列采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸，但增加了高速開(kāi)關(guān)性能，并且系統(tǒng)可靠性更高。該系列集成了內(nèi)部溫度傳感器并提供兩重過(guò)溫保護(hù)、過(guò)溫警告，以及結(jié)溫極高時(shí)的過(guò)溫關(guān)斷功能。
由內(nèi)部精密比較器產(chǎn)生的SD功能，可快速啟用或關(guān)斷系統(tǒng)。該功能可提供冗余過(guò)壓保護(hù)，與主控制器內(nèi)部的保護(hù)功能相配合，或在發(fā)生過(guò)溫警告事件時(shí)可安全關(guān)斷系統(tǒng)。寬輸入電壓范圍使驅(qū)動(dòng)器能夠同時(shí)與模擬和數(shù)字PWM控制器兼容，數(shù)字電源控制器從低壓電源供電，驅(qū)動(dòng)器從較高電壓電源供電。ADP362x/ADP363x系列增加了UVLO和遲滯功能，與低壓數(shù)字控制器配合使用時(shí)支持較高電壓電源的安全啟動(dòng)和關(guān)斷。
ADP362x/ADP363x器件系列采用散熱增強(qiáng)型SOIC_N_EP和MINI_SO_EP封裝，在較小印刷電路板（PCB）面積內(nèi)較大限度地提升高頻和大電流開(kāi)關(guān)性能?？蓱?yīng)用于AC-DC開(kāi)關(guān)模式電源、DC-DC電源、同步整流、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。
可加快系統(tǒng)開(kāi)發(fā)速度的3D ToF開(kāi)發(fā)平臺(tái)
為加快3D ToF系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)速度，ADI也推出3D ToF開(kāi)發(fā)平臺(tái)――AD-96TOF1-EBZ，這款模塊化的ToF解決方案是基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的96Boards平臺(tái)構(gòu)建而成，可測(cè)量對(duì)象的X、Y、Z軸數(shù)據(jù)。
AD-96TOF1-EBZ是經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的深度感知硬件平臺(tái)，在與96Boards生態(tài)系統(tǒng)中的處理器板配合使用時(shí)，可用于3D軟件和算法開(kāi)發(fā)。在開(kāi)發(fā)軟件和算法的同時(shí)，可以利用硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。
ADI可以推薦第三方開(kāi)發(fā)商幫助定制該平臺(tái)以滿(mǎn)足各種應(yīng)用需求。根據(jù)客戶(hù)偏好和開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的差異，可以使用不同的96Boards處理器板進(jìn)行整體系統(tǒng)評(píng)估和定制開(kāi)發(fā)。在夾層板上還可以使用樹(shù)莓派（Raspberry Pi）接口，進(jìn)一步提高客戶(hù)靈活性。
該解決方案能夠?qū)崿F(xiàn)非常小巧和低功耗的特點(diǎn)，測(cè)量長(zhǎng)達(dá)6米的深度，并具有出色的室外和室內(nèi)性能以及VGA分辨率。可用于機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化、SLAM（同時(shí)定位和地圖構(gòu)建）、AR、VR、無(wú)人機(jī)、汽車(chē)檢測(cè)等應(yīng)用。
另一款A(yù)D-FXTOF1-EBZ 3D ToF開(kāi)發(fā)套件則是景深測(cè)量模塊，非常適合集成到較大的系統(tǒng)和終端產(chǎn)品中。它使用VGA CCD，支持以每秒30幀捕獲640x480景深映射場(chǎng)景，從而提供比市場(chǎng)上許多其他TOF系統(tǒng)高4倍的分辨率。
AD-FXTOF1-EBZ是一款通過(guò)認(rèn)證的生產(chǎn)模塊，適合景深測(cè)量。它完全兼容現(xiàn)有的ADI 3DTOF開(kāi)源SDK和原型制作軟件平臺(tái)。它可以配合現(xiàn)有的ADI算法用于各種用例，包括人員檢測(cè)、占用和活動(dòng)檢測(cè)、目標(biāo)檢測(cè)和分類(lèi)、自主和服務(wù)機(jī)器人，以及用于物流和工業(yè)應(yīng)用及許多其他機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的體積測(cè)量。該套件包含轉(zhuǎn)接板，使ToF模塊的25引腳接口適應(yīng)15引腳接口，并與常用的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)兼容，如Raspberry PI、Nvidia Jetson Nano或Nvidia Xavier NX。
ADI也推出高度集成的ToF攝像頭模塊，其基于ADI的ToF信號(hào)鏈產(chǎn)品和技術(shù)，可輸出深度圖和（710版）TOF + RGB圖像（可禁用），F(xiàn)OV為70 X 54，深度攝像頭支持最大640*480（30 FPS下）的圖像大小，RGB攝像頭支持最大1920*1080（30 FPS下）的圖像大小，內(nèi)置USB 2.0接口，可支持在Android、Linux、Windows 7/8/10的操作系統(tǒng)上運(yùn)行，并提供Pico深度傳感器SDK、示例代碼和工具（兼容Open NI SDK），以及在Python中提供的ADI示例應(yīng)用算法。
結(jié)語(yǔ)
集成3D ToF技術(shù)的LiDAR系統(tǒng)發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟、應(yīng)用日趨廣泛，極具市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?。ADI推出完整的3D ToF產(chǎn)品與解決方案，并提供易于使用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)與模塊，可加快客戶(hù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度，將是您開(kāi)發(fā)相關(guān)產(chǎn)品的最佳選擇之一。
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