1. 引言

ToF（Time of flight）是飛行時(shí)間法，它是一種深度測量的方法，精度為厘米級。因?yàn)槠湓砗唵危⌒突瑴y量距離范圍較大，抗干擾能力較強(qiáng)，而得到廣泛的應(yīng)用，比如，微軟的Kinect 2.0，Iphone 12手機(jī)的ToF相機(jī)，無人駕駛都應(yīng)用到了ToF技術(shù)。下面就對ToF的基本原理，優(yōu)缺點(diǎn)，影響ToF精度的因素這幾方面展開描述。

2. 原理

ToF的基本原理是通過連續(xù)發(fā)射光脈沖（一般為不可見光）到被測物體上，然后接收從物體反射回去的光脈沖，通過探測光脈沖的飛行（往返）時(shí)間來計(jì)算被測物體離相機(jī)的距離。下圖是飛行時(shí)間法深度測量基本原理示意圖。

ToF根據(jù)調(diào)制方法的不同，可以分為兩種：脈沖調(diào)制（Pulsed Modulation）和連續(xù)波調(diào)制（Continuous Wave Modulation）。由于脈沖調(diào)制是直接測量飛行時(shí)間，因此也稱為dToF（直接ToF）（Lidar，也叫激光雷達(dá)，就是dToF），連續(xù)波調(diào)制是通過相位差來計(jì)算飛行時(shí)間，因此也稱為iToF。

2.1 脈沖調(diào)制（dToF）

脈沖調(diào)制直接根據(jù)脈沖發(fā)射和接收的時(shí)間差來測算距離。下圖是脈沖調(diào)制測距的示意圖：

脈沖調(diào)制方案的照射光源一般采用方波脈沖調(diào)制，這是因?yàn)樗脭?shù)字電路來實(shí)現(xiàn)相對容易。接收端的每個(gè)像素都是由一個(gè)感光單元（如光電二極管）組成，它可以將入射光轉(zhuǎn)換為電流，感光單元連接著多個(gè)高頻轉(zhuǎn)換開關(guān)（下圖的G0，G1）可以把電流導(dǎo)入不同的可以儲存電荷(下圖S0，S1)的電容里。

相機(jī)上的控制單元打開光源然后再關(guān)閉，發(fā)出一個(gè)光脈沖。在同一時(shí)刻，控制單元打開和關(guān)閉接收端的電子快門。接收端接收到的電荷S0被存儲在感光元件中。

然后，控制單元第二次打開并關(guān)閉光源。這次快門打開時(shí)間較晚，即在光源被關(guān)閉的時(shí)間點(diǎn)打開。新接收到的電荷S1也被存儲起來。具體過程如下圖所示。

因?yàn)閱蝹€(gè)光脈沖的持續(xù)時(shí)間非常短，此過程會(huì)重復(fù)幾千次，直到達(dá)到曝光時(shí)間。然后感光傳感器中的值會(huì)被讀出，實(shí)際距離可以根據(jù)這些值來計(jì)算。

記光的速度為c，tp為光脈沖的持續(xù)時(shí)間， S0表示較早的快門收集的電荷， S1表示延遲的快門收集的電荷，那么距離d可以由如下公式計(jì)算：

最小的可測量距離是：在較早的快門期間S0中收集了所有的電荷，而在延遲的快門期間S1沒有收集到電荷，即S1 = 0。代入公式會(huì)得出最小可測量距離d=0。

最大的可測量的距離是：在S1中收集了所有電荷，而在S0中根本沒有收集到電荷。然后，該公式得出d= 0.5 x c × tp。因此最大可測量距離是通過光脈沖寬度來確定的。例如，tp = 50 ns，代入上式，得到最大測量距離d = 7.5m。

優(yōu)點(diǎn)：

1. 測量方法簡單，響應(yīng)較快

2. 由于發(fā)射端能量較高，所以一定程度上降低了背景光的干擾

缺點(diǎn)：

1. 發(fā)射端需要產(chǎn)生高頻高強(qiáng)度脈沖，對物理器件性能要求很高

2. 對時(shí)間測量精度要求較高

3. 環(huán)境散射光對測量結(jié)果有一定影響

2.2 連續(xù)波調(diào)制（dToF）

實(shí)際應(yīng)用中，通常采用的是正弦波調(diào)制。由于接收端和發(fā)射端正弦波的相位偏移和物體距離攝像頭的距離成正比(見后面推導(dǎo))，因此可以利用相位偏移來測量距離。下圖是連續(xù)波調(diào)制原理示意圖：

其實(shí)相移偏移來測量距離相位差的方法與四步相移法的推導(dǎo)基本一樣。下圖是發(fā)射的正弦波和接收的正弦波的示意圖：

連續(xù)正弦波調(diào)制測量方法，具體的推導(dǎo)過程如下。序號1-9對應(yīng)下圖的公式1-9。

1. 假設(shè)發(fā)射的正弦信號s(t)振幅是a，調(diào)制頻率是f

2. 經(jīng)過時(shí)延 △t后接收到的信號為接收r(t)，衰減后的振幅為A，強(qiáng)度偏移（由環(huán)境光引起）為B

3. 四個(gè)采樣時(shí)間間隔相等，均為T/4

4. 根據(jù)上述采樣時(shí)間可以列出四個(gè)方程組

5. 從而可以計(jì)算出發(fā)射和接收的正弦信號的相位偏移△φ

6. 據(jù)此可以根據(jù)（6）中公式計(jì)算物體和深度相機(jī)的距離d

7. 接收信號的衰減后的振幅A的計(jì)算結(jié)果

8. 接收信號強(qiáng)度偏移B的計(jì)算結(jié)果，反映了環(huán)境光

9. A, B的值間接的反應(yīng)了深度的測量精度，深度測量方差可以用公式9近似表示。

優(yōu)點(diǎn)：

1. 相位偏移（公式5）中的(r2-r0)和(r1-r3)相對于脈沖調(diào)試法消除了由于測量器件或者環(huán)境光引起的固定偏差。

2. 可以根據(jù)接收信號的振幅A和強(qiáng)度偏移B來間接的估算深度測量結(jié)果的精確程度（方差）。

3. 不要求光源必須是短時(shí)高強(qiáng)度脈沖，可以采用不同類型的光源，運(yùn)用不同的調(diào)制方法

缺點(diǎn)：

1. 需要多次采樣積分，測量時(shí)間較長，限制了相機(jī)的幀率

2. 需要多次采樣積分，測量運(yùn)動(dòng)物體時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)模糊。

注意：ToF相機(jī)每次從發(fā)射端發(fā)出調(diào)制光，接收端其實(shí)是像相機(jī)一樣，有一個(gè)感光元件，上面有很多像素點(diǎn)，每個(gè)像素點(diǎn)經(jīng)過上述過程都可以得到一個(gè)對應(yīng)的距離，所有的像素點(diǎn)測量的距離就構(gòu)成一幅深度圖，如下圖所示，左邊是原圖，右邊是對應(yīng)的深度圖。

3. 影響ToF的因素

• 多重反射
  距離測量要求光只反射一次。但是鏡面或者一些角落會(huì)導(dǎo)致光線的多次反射，這會(huì)導(dǎo)致測量失真。如果多重反射使得光線完全偏轉(zhuǎn)，則沒有反射光線進(jìn)入相機(jī)，從而無法正確測量反射面的距離。反之，如果其他方向的光通過鏡面反射進(jìn)入芯片，則可能會(huì)發(fā)生過度曝光。見下圖。
  

• 散射光
  在鏡頭內(nèi)或在鏡頭后面發(fā)生多余反射會(huì)出現(xiàn)散射光，如下圖所示，散射光會(huì)導(dǎo)致圖像褪色，對比度下降等不良影響。所以要避免在相機(jī)正前方有強(qiáng)烈反光的物體存在。
  

• 環(huán)境光
  深度相機(jī)鏡頭上會(huì)有一個(gè)帶通濾光片來保證只有與照明光源波長相同的光才能進(jìn)入，這樣可以抑制非相干光源提高信噪比。這種方式確實(shí)能夠比較有效地過濾掉人造光源，但是，我們常見的日光幾乎能夠覆蓋整個(gè)光譜范圍，這其中包括和照明光源一樣的波長，在某些情況下（如夏天的烈日）這部分光強(qiáng)可以達(dá)到很大，會(huì)導(dǎo)致感光傳感器出現(xiàn)過度曝光。因此相機(jī)如果想在這種條件下正常工作，仍然需要額外的保護(hù)機(jī)制。

• 溫度
  電子元件的精度受溫度的影響，溫度波動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致脈沖調(diào)制的精度。所以要做好散熱，才能保證測量精度。