這些年，如何讓機(jī)器獲得能夠感知距離的3D“視覺(jué)”能力，一直是一個(gè)熱門的研究方向。不要小瞧這個(gè)在2D平面基礎(chǔ)上添加的包含“深度”數(shù)據(jù)的第三維信息，它將為開(kāi)發(fā)者提供一個(gè)給力的HMI（人機(jī)交互界面）工具，讓他們?cè)O(shè)計(jì)的產(chǎn)品更容易打動(dòng)用戶的芳心。

比如說(shuō)，玩家進(jìn)行3D體感游戲時(shí)，活動(dòng)的不再僅僅是手指，而是全身都可以沉浸其中；3D人臉識(shí)別提供的有深度信息的人臉模型，讓那種“用照片騙過(guò)攝像頭”的做法不再奏效；一個(gè)智能設(shè)備，可以精準(zhǔn)感知到“主人”的到來(lái)，而迅速被激活……

讓機(jī)器設(shè)備獲得這種深（距）度（離）感知能力的技術(shù)路徑有很多。你可以使用紅外接近傳感器，不過(guò)它們大多作用距離短且測(cè)量精度不高。結(jié)構(gòu)光是一種公認(rèn)的高精度測(cè)量方法，不過(guò)其后處理算法比較復(fù)雜，需要消耗大量的計(jì)算資源，且光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)校和維護(hù)也有門檻，想讓它放下身段進(jìn)入更廣闊的消費(fèi)級(jí)應(yīng)用，并不容易……因此越來(lái)越多的人將目光聚焦在ToF（飛行時(shí)間）傳感技術(shù)身上。

ToF技術(shù)的工作原理很好理解，它是通過(guò)測(cè)量從傳感器發(fā)射出的光子或電磁波，遇到目標(biāo)物體后反射回來(lái)所需的時(shí)間，精確計(jì)算出兩者之間的距離（如圖1）。與結(jié)構(gòu)光技術(shù)相比，ToF方案無(wú)需復(fù)雜的后處理系統(tǒng)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、體積小、誤差小，具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，且抗干擾能力強(qiáng)，可以提供足夠高的測(cè)距精度，因此這兩年發(fā)展勢(shì)頭頗為強(qiáng)勁。

圖1：ToF技術(shù)通過(guò)測(cè)量光或電磁波往返的

飛行時(shí)間來(lái)計(jì)算被測(cè)物體的距離（圖源：ams）

現(xiàn)如今，盡管人們對(duì)可以支持?jǐn)?shù)萬(wàn)個(gè)深度測(cè)量點(diǎn)、作為3D結(jié)構(gòu)光人臉識(shí)別競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)的3D ToF投入了更多的關(guān)注，但實(shí)際上，更為簡(jiǎn)潔的、只提供一個(gè)深度點(diǎn)精準(zhǔn)測(cè)距的1D ToF的應(yīng)用空間更為廣闊。如今的1D ToF產(chǎn)品已經(jīng)可以在一個(gè)芯片級(jí)的解決方案中，實(shí)現(xiàn)相當(dāng)出色的性能表現(xiàn)，幫助開(kāi)發(fā)者大開(kāi)腦洞，將實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的測(cè)距功能植入到各種應(yīng)用場(chǎng)景中。

性能出眾的1D ToF傳感器

今天，我們就來(lái)認(rèn)識(shí)這樣一款1D ToF傳感器，并一起探索可由它開(kāi)啟的創(chuàng)新應(yīng)用。這顆料，就是艾邁斯半導(dǎo)體（ams）最新推出的1D ToF傳感器TMF8801。

圖2：ams最新推出的1D ToF傳感器TMF8801外形緊湊

（圖源：ams）

TMF8801在一個(gè)2.2mm x 3.6mm x 1.0mm的緊湊封裝中，集成了一個(gè)完整的1D ToF系統(tǒng)，包括：一個(gè)VCSEL紅外發(fā)射器、多個(gè)SPAD（單光子雪崩光電二極管）光探測(cè)器、時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC），以及一個(gè)用于算法處理的片上微控制器。

在工作時(shí)，TMF8801的VCSEL紅外發(fā)射器經(jīng)過(guò)光學(xué)部件打出光子，同時(shí)給TDC發(fā)出一個(gè)“開(kāi)始”的信號(hào)，當(dāng)光子遇到障礙物會(huì)反射回來(lái)，被TMF8801的接收端SPAD所接收，并導(dǎo)致 SPAD發(fā)生雪崩，從而給TDC一個(gè)“停止”的信號(hào)，TDC通過(guò)計(jì)算開(kāi)始和停止信號(hào)之間的時(shí)間，即可獲得光子往返的飛行時(shí)間，并計(jì)算出目標(biāo)物體距傳感器的遠(yuǎn)近。測(cè)量結(jié)果可直接輸出給系統(tǒng)主控制器做后續(xù)的處理。

如果僅從上述的工作流程來(lái)看，TMF8801與其他1D ToF器件相比別無(wú)二致，但實(shí)際上由于TMF8801在很多細(xì)節(jié)上的優(yōu)化，使得其在最終的性能表現(xiàn)上顯得非比尋常。與采用間接ToF系統(tǒng)測(cè)量均距的產(chǎn)品相比，采用直接ToF時(shí)間測(cè)量方法的TMF8801能夠提供準(zhǔn)確度更高、更真實(shí)的距離測(cè)量結(jié)果。

1

實(shí)時(shí)精確的dToF測(cè)量

1D ToF從技術(shù)上講可以分為iToF（非直接測(cè)距）和dToF（直接測(cè)距）兩種。其中iToF通過(guò)測(cè)量發(fā)射波形和接收波形間的相位差換算飛行時(shí)間從而確定距離，而dToF是通過(guò)直接測(cè)量光子發(fā)射、接收飛行時(shí)間來(lái)確定距離。TMF8801采用的是dToF技術(shù)，因此與前者相比具有更快速的響應(yīng)、更低的功耗，可有效消除iToF中存在的多徑干擾的影響，且支持多物體同步精確檢測(cè)。同時(shí)，由于TMF8801中集成了ams專有的 SPAD和具有極窄脈寬的TDC，也進(jìn)一步強(qiáng)化了在實(shí)時(shí)性和測(cè)量精度上的優(yōu)勢(shì)，使其可以在2cm~2.5m距離內(nèi)達(dá)到5%的測(cè)量精度，分辨率小于1mm。

圖3：TMF8801系統(tǒng)框圖

其內(nèi)置一個(gè)完整的1D ToF系統(tǒng)（圖源：ams）

2

直方圖輸出實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)抗擾能力

TMF8801避免多徑干擾的一個(gè)“法寶”，就是其具有直接輸出直方圖數(shù)據(jù)的功能——相關(guān)數(shù)據(jù)處理由一個(gè)Arm Cortex M0片上微控制器完成。直方圖是目標(biāo)物體反射回來(lái)的紅外光子數(shù)量在不同距離上的統(tǒng)計(jì)分布圖，通過(guò)直方圖可以直觀地獲知在測(cè)量范圍內(nèi)多個(gè)物體的距離信息。

圖4：TMF8801直方圖中顯示出的

多物體的數(shù)據(jù)信息（圖源：ams）

除了多物體感測(cè)，直方圖功能還可有效減少光學(xué)路徑中玻璃蓋板、油污等因素的干擾。這是因?yàn)椴Ａw板及附著在它上面的油污，其在直方圖上的距離分布范圍是固定的，因此很容易通過(guò)算法優(yōu)化將這些干擾信號(hào)“濾除”掉。因此，此類光學(xué)路徑中固定的干擾源不會(huì)影響TMF8801的工作。

圖5：直方圖輸出中油污距離位置固定

可通過(guò)算法優(yōu)化消除干擾（圖源：ams）

3

自動(dòng)校準(zhǔn)確保測(cè)量精度

測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)是必不可少的，dToF需要進(jìn)行的校準(zhǔn)工作包括時(shí)間校準(zhǔn)和光學(xué)校準(zhǔn)，這些過(guò)程TMF8801都是自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。

時(shí)間校準(zhǔn)方面，為了避免內(nèi)置時(shí)鐘偏差，TMF8801會(huì)自動(dòng)以系統(tǒng)時(shí)鐘為標(biāo)定，實(shí)時(shí)的校準(zhǔn)；而光學(xué)校準(zhǔn)方面，TMF8801采用的是在產(chǎn)線上一次性光學(xué)校準(zhǔn)，無(wú)需人工參與，只需保證在暗光或是無(wú)光環(huán)境下，且40cm內(nèi)無(wú)遮擋，即可軟件觸發(fā)校準(zhǔn)。這無(wú)疑為用戶提供了便利，以確保在產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)測(cè)量性能不打折。

4

通過(guò)人眼安全認(rèn)證

作為一種基于紅外激光工作的器件，安全防護(hù)必不可少。TMF8801通過(guò)了針對(duì)940nm VCSEL的1級(jí)人眼安全認(rèn)證，在遇到突發(fā)情況的時(shí)候，紅外激光源可以自動(dòng)關(guān)閉以確保用戶的安全。

綜上所述，可以看出TMF8801的定位就是“一顆讓用戶用著既省心又放心的1D ToF傳感器”。這樣一來(lái)，用戶就可以將更多的精力，放在更具創(chuàng)新性的應(yīng)用場(chǎng)景的挖掘上。

不斷擴(kuò)展的應(yīng)用場(chǎng)景

說(shuō)到1D ToF傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景，是一個(gè)讓人興奮的話題，因?yàn)樗南胂罂臻g確實(shí)很大，尤其是手中有了TMF8801這樣高性能、低功耗、小尺寸的器件，開(kāi)發(fā)者試水一些新應(yīng)用的底氣也會(huì)更足。

1D ToF傳感器一個(gè)最典型的應(yīng)用，就是集成在智能手機(jī)前置光學(xué)模組上，為3D人臉識(shí)別功能提供支持。大家知道，為了實(shí)現(xiàn)3D人臉識(shí)別，手機(jī)前置光學(xué)模組上增加了幾個(gè)能耗大戶，比如泛光燈、紅外攝像頭、3D成像組件（如結(jié)構(gòu)光投影器），這些器件肯定不能總處于工作狀態(tài)。這就需要低功耗的1D ToF保持常開(kāi)偵測(cè)屏幕前方的目標(biāo)，當(dāng)規(guī)定距離中出現(xiàn)人臉或疑似物體時(shí)，再依次喚醒其他組件，進(jìn)行3D人臉識(shí)別操作。據(jù)ams測(cè)算，集成1D ToF的3D人臉識(shí)別系統(tǒng)，一次解鎖流程可節(jié)能超70%。

在解鎖過(guò)程中，1D ToF仍然發(fā)揮著重要的作用。因?yàn)樵谌四?D建模時(shí)，人臉與手機(jī)屏幕的距離是固定的，而在解鎖時(shí)人臉與屏幕的距離不可能與建模時(shí)的距離完全一致，這時(shí)就需要通過(guò)1D ToF做精確的距離檢測(cè)，并將此數(shù)據(jù)給3D識(shí)別系統(tǒng)做距差還原處理，之后再與原始的人臉3D特征信息進(jìn)行比對(duì)，這讓整個(gè)解鎖過(guò)程既安全又快捷。

在手機(jī)解鎖之后，1D ToF并沒(méi)有閑著，仍然有用武之地?，F(xiàn)在用戶手機(jī)中的各種App越來(lái)越多，用戶在每個(gè)App上花費(fèi)的有效時(shí)間是多少，對(duì)于App的開(kāi)發(fā)者以及廣告商等利益相關(guān)者，都是一個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這時(shí)利用1D ToF（以及其他傳感器）感知用戶人臉停留在手機(jī)屏幕前的準(zhǔn)確信息，就可以實(shí)現(xiàn)所謂的Attention Aware功能，提供更有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

圖6：1D ToF是手機(jī)3D人臉識(shí)別中

必不可少的組件（圖源：ams）

除了上述在手機(jī)前置光學(xué)模組上的應(yīng)用，TMF8801的一個(gè)特性令其應(yīng)用擴(kuò)展到了后置攝像模組中。由于TMF8801與上一代的TMF8701相比，最大感測(cè)距離從60cm大幅提升至250cm，因此它可以為手機(jī)后置攝像頭實(shí)現(xiàn)激光探測(cè)自動(dòng)對(duì)焦（LDAF）功能，在任何環(huán)境光條件下，都能根據(jù)目標(biāo)物體距離準(zhǔn)確對(duì)焦，且根據(jù)對(duì)焦距離準(zhǔn)確調(diào)節(jié)攝像頭閃光燈的亮度，提高圖片的質(zhì)量。與傳統(tǒng)的基于CCD半導(dǎo)體成像器件自動(dòng)聚焦方案相比，基于TMF8801的LDAF方案對(duì)焦速度更快，成本也更低。

圖7：TMF8801可以為手機(jī)后置攝像頭

實(shí)現(xiàn)LDAF功能（圖源：ams）

除了手機(jī)，TMF8801的優(yōu)異性能也在助推其向更廣闊的應(yīng)用空間邁進(jìn)。比如安裝在智能電視上的1D ToF，可以在用戶——特別是自控力較弱的兒童——過(guò)于靠近電視屏幕時(shí)，自動(dòng)調(diào)暗或關(guān)閉顯示器背光，或是發(fā)出警告，提醒用戶遠(yuǎn)離電視、保護(hù)視力。而在其他需要精準(zhǔn)測(cè)距的領(lǐng)域，比如掃地機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、自動(dòng)運(yùn)輸避障等應(yīng)用中，也都有可以讓TMF8801一試身手的空間！

圖8：多顆1D ToF傳感器在電視上的應(yīng)用效果圖

（圖源：ams）

說(shuō)到這兒了，你的腦洞是不是也逐漸打開(kāi)了？你有什么有“深度”的設(shè)計(jì)創(chuàng)意，可以讓TMF8801這樣的1D ToF傳感器幫你測(cè)量一下？想讓這些設(shè)計(jì)創(chuàng)意成為現(xiàn)實(shí)，先到貿(mào)澤電子TMF8801產(chǎn)品專頁(yè)，獲取更多技術(shù)信息吧！