飞行时间（ToF）：助力实现三维体验

我们已习惯使用Microsoft Teams、Zoom和Google Meet来改善远程会议体验。但即便如此，所有这些互动仍然局限于第二维度，无法带给我们真正沉浸式、生活化的三维体验。

尽管当前元宇宙、AR/VR，甚至全息传送（高质量的三维人物模型，能够在全球任意位置进行实时重构和传输）掀起了一股热潮，但距离实现最终的跨越现实型耳机，我们还有很长的路要走。

将二维互动转换为沉浸式的三维互动颇有难度，需要融合多项技术才能实现。虽然3D显示屏和空间音频内容已独立存在了一段时间，但它们只是静态的，需要固定的观看和收听位置。在桥接现实世界和数字世界这一领域，3D飞行时间（ToF）技术已进入下一阶段，通过将静态的三维互动转换为能够感知情境的沉浸式互动，可动态适应所有环境类型（人与人的远程互动、人机互动或机器与机器的互动）中的用户情境和机器情境。

从小学到研究生院——智能设备的发展

分析师的报告，2021年全球智能家居设备的交付量增长了近12%，该项研究还预测，到2026年，其交付量将保持两位数增长。消费者现在期望所有设备都能不断发展，更具智能且无需接触也能操控，包括灯泡、家用设备、电视、汽车等等。

在过去10年，智能家居不断发展，智能的定义也是如此。基础的智能设备一般都很简单——都需要联网、受到控制或监测，例如扫地机器人。更先进一些的智能设备能够感知周围环境。它们可能还启用了GPS，例如，当您进入一定范围内，会自动为您打开家中的暖气，无需您触摸按钮或屏幕。

甚至，更智能的设备能够倾听您的语音指令，并理解其中的意思，提供一定水平的个性化体验。例如，您家中使用的智能扬声器还能充当智能管家，当您准备睡觉时，帮您降下窗帘、调暗灯光、调节室内温度，并播放舒缓的音乐。

下一次智能革命会赋予智能设备另一项人类感知——视觉。这些设备能够检测和分析我们周围的环境，然后根据分析结果做出决定。这些设备背后的支持技术是景深测量，这是实现飞行时间（ToF）的关键使能因素。

何谓飞行时间（ToF）？

飞行时间（ToF）摄像机向物体发射光束，该光束会反射至传感器，摄像机测量发射光束与反射光线被传感器接收之间的时间延迟，由此测量与物体之间的距离。这个过程与超声波类似，后者通过声音，而非光线来测量距离，雷达则通过无线电波来测量距离。与超声相比，飞行时间（ToF）摄像机能够更快生成具有高（深度）精度的高分辨率深度图（空间分辨率与RGB摄像机相当），且能覆盖更大范围——毕竟，光速远远大于声速。虽然雷达的探测距离更远，但飞行时间（ToF）的准确性与分辨率均更胜一筹。

我们主要采用两种方法来测量飞行时间（ToF）的时延：间接飞行时间（ToF）(iToF)和直接飞行时间（ToF）(dToF)：

间接ToF和直接ToF

• iToF系统使用连续波(CW)方法，该方法测量发送和接收的光脉冲之间的相移。

• dToF摄像机使用基于脉冲的方法，该方法测量发射的脉冲和接收的光脉冲之间的经过时间。使用CW iToF图像传感器的优势之一：它们基于传统的半导体基础设施进行大规模量产，能够以经济的成本实现高像素密度的短程成像。

ToF让设备能够感知环境，并据此作出更明智的决定——从根据室内人数来调节室温，到根据购物体验识别人们感兴趣的商品。

选择iToF，还是dToF深度成像系统，最终要看应用需求和使用环境。iToF适用于需要高空间分辨率的短程成像（0.5米、5米和10米）。dToF更适合对空间分辨率要求不高的远距离成像。人工智能(AI)和光学系统设计使得选择iToF技术和dToF技术的分界线不再那么清晰明确。在能感知环境的智能边缘系统中，iToF和dToF传感器都与RGB图像和惯性传感器集成，并在AI的助力之下提升性能，消除伪影。

就像鼠标改变了计算机交互，触摸屏技术推动了智能手机和平板电脑的普及一样，飞行时间（ToF）技术正在助力实现非接触式3D交互。在推动工业4.0发展方面，飞行时间（ToF）技术具有类似效用。从用于质量检测的工业机器视觉，到用于资产管理的体积检测，再到推动自主（设备）生产的导航技术，制造行业开始采用这些传感技术，并逐步转向适合恶劣工业环境的高分辨率系统。

但是，飞行时间（ToF）技术从哪些方面改变了我们的日常生活？如今，有哪些技术突破能够与彩电或个人计算机媲美？

人机接口：飞行时间（ToF）应用

目前，我们周围采用飞行时间（ToF）技术的应用层出不穷，从汽车座舱安全，到家庭运动设备，再到游戏和画面逼真的3D远程协作。飞行时间（ToF）技术的未来应用之一是自动驾驶汽车中，作为雷达、LIDAR和其他深度传感器的补充。

以下是巧妙使用飞行时间（ToF）技术的一些场景，它们让我们的生活更美好、更安全，更有乐趣：



3D远程协作

ToF将硬件和软件的技术进步相结合，让朋友、家人和同事觉得他们仿佛是在一起，即使他们相隔甚远。在参加沉浸式3D会议时，您不再受扁平的2D图像限制，您能看到和真人一般大小的三维人像，仿佛他们真的和您身处同一房间。

座舱/汽车辅助驾驶技术

飞行时间（ToF）技术助您感受使用先进驾驶辅助系统(ADAS)的乐趣，该技术提供人脸和运动监测，能够检测驾驶员是否打瞌睡，或者提醒您车辆已偏离路线。手势控制技术让驾驶员能够在视线不离道路的情况下接听电话、切换音频或调节车内温度。



家庭运动设备

居家健身行业不断发展，除了在线动感单车和瑜伽课程之外，现在还包含智能健身镜。当内置的虚拟教练为您提供深蹲指导时，实际是他脑中的飞行时间（ToF）技术在发挥作用。

家庭影院

飞行时间（ToF）技术让您的家庭影院系统非常智能，能够动态调节声音均衡，以补偿观众位置变化或环境改变的情况，例如增添了新家具。

购物

在线购物已经变得非常简单和便捷，使很多不愿前往实体店的购物者，也能亲身查看自己感兴趣的物品。飞行时间（ToF）技术让您能够使用手机测量空间环境，并重新规划您的房间布局，或者，先由您的三维人像试穿衣服，再决定是否购买。



游戏和元宇宙

通过佩戴AR/VR耳机，人们能够基于飞行时间（ToF）系统获取的深度信息，通过手势跟踪与置于真实世界中的虚拟物体进行交互，更准确地连接真实世界和数字世界，从而获得沉浸式体验。
智能工厂
ToF技术助力实现的机器视觉是推动实现灵活、自适应生产配置的关键因素。这让人与机器能够安全协作，帮助提高生产力、不断提升质量，充分挖掘工厂的产能。

ADI的飞行时间（ToF）技术，让创意起飞

如果以当前的速度继续加速创新，那么在未来的十年或二十年，我们将迎来另一场改变生活方式的创新浪潮。深度传感器和成像技术的广泛应用可能带来超出我们想象的智能设备，或者会出现全新的技术，让智能镜和AR耳机变得和扫地机器人一样平常。

ADI帮助客户共同打造新品，并充分利用智能边缘见解，包括飞行时间（ToF）系统解决方案。ADI先进的飞行时间（ToF）成像传感器与完整的系统解决方案配合，将数据处理、激光驱动器、电源管理和软件/固件集成到同一设备中，以实现下一代智能边缘解决方案。

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Eoin English,高级首席工程师ADI 公司

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