Time of Flight「ToF」技術簡介「劉延」

6月26日，在2018世界移動通信大會上海站上，vivo推出了TOF（Time of Flight）3D超感應技術。 TOF 3D超感應技術可感應30萬個有效深度信息點，是3D結構光技術的10倍，工作距離可達3米，是結構光技術的3倍，TOF模組的baseline（基線）近乎為零，比結構光技術的25mm有大幅提升。

官方介紹，這項技術利用感測器測量目標物距離和輪廓，實現手機對高精度3D信息的採集和運算，具有有效深度信息高、工作距離遠、結構布局靈活、應用場景豐富等亮點。 TOF 3D超感應技術已成功支持微信人臉識別支付，預計在2018年下半年投入商用。屆時vivo將是國內首家支持微信人臉識別支付的手機廠商，同時也是國內首家支持微信屏幕指紋支付的手機廠商。

其實Soomal測評很多搭載ToF感測器的設備[華為、LG、HTC有多款手機型號使用了ToF技術]，只是過去ToF主要用途是拍攝時畫面和對焦，終端廠商極少強調和宣傳。今天我們就聊聊ToF技術的工作方式以及消費電子設備中的應用。

什麼是ToF

ToF是Time of Flight的縮寫，有的翻譯稱之為飛行時間。這種成像技術通過向目標發射連續的特定波長的紅外光線脈衝，通過特定感測器接收待測物體傳回的光信號，計算光線往返的飛行時間或相位差得到待測物體的3D深度信息。TOF相機的亮度圖像和深度信息可以通過模型連接起來，迅速精準地完成人臉匹配和檢測 。

ToF工作流程圖 - 來自Texas Instruments

TF的硬體組成有：

發光單元：發光單元通常為能發出特定波長紅外線的VSCEL，VSCEL能以相對較小功率發射出較高的信號。

光學鏡頭及濾光片：用於收集反射回的光線。濾光片只允許對應波長的紅外線通過，抑制其他光線，並降低雜訊。

圖像感測器：ToF相機的核心部件，接收反射回來的光線，負責測量每個像素點光線從發光元件到目標物體再反射回感測器的時間。

ToF的優勢

紅外攝像頭下FaceID的紅外光投射效果

ToF和iPhone X所使用的結構光技術有何區別，又有什麼優勢？iPhone X的結構光是首先利用激光器將鏡片上的點陣或固定圖案投射在人臉上，然後拍攝紅外圖像，通過點陣或圖像的形變，計算出深度信息，進而識別3D臉部信息。

通過ToF獲得的物體景深信息圖 - 來自互聯網

而ToF是通過特殊的感測器，通過計算髮射出去的紅外線激光來回的時間得到被攝物體深度信息，進而識別3D信息。

不同的3D成像技術特點 - 來自互聯網

相較於結構光技術，ToF的設計更靈活，可通過改變光源強度能實現不同範圍的3D成像；而通過調整發射器脈衝頻率，就可以調整相應的信噪比以適應不同的精度要求或應用環境。ToF的激光發射器也相對簡單，只需發射出特定波長的高頻脈衝激光即可。而結構光必須通過特殊的光學鏡片，投射出相應圖案，通過計算才能得到深度信息。

vivo ToF技術的信息量優勢 - 來自互聯網

ToF如何讓深度信息量達到結構光的10倍？ 在去年十二月，索尼推出了一款背照式ToF測距感測器 ，廠商稱該感測器較前代產品測距性能進一步提高，同時體積減小，僅為1/2英寸，並擁有VGA解析度，索尼將從2018年4月開始出貨樣品。索尼將採用了測距技術的測距感測器統稱為DepthSense系列，此次是首次將背照式ToF技術應用於DepthSense系列產品。 VGA解析度為640*480，差不多就是30萬像素。而此前市場也有過傳言稱vivo有望於今年推出後置ToF方案的手機，模組廠為信利，ToF Sensor為松下，驅動晶元及演算法由ADI提供。後續索尼將於今年8月份推出全新的ToF Sensor，預計會成為未來的主流方案。 因此，vivo有較大概率採用的是索尼新出來的ToF感測器，配合更高效率的激光發射器，實現比現有手機結構光精度更高、工作距離更遠的3D感知方案。

ToF在消費電子上的應用

測距：ToF在測距上的應用主要包括輔助對焦、前置距離感測器和避障。

LG G3[D858 Titan] 智能手機的激光對焦燈

激光對焦：手機中第一批ToF相機的應用，是「激光對焦」，具體機型包括：華為P9，V8，聯想 moto g4+， HTC M10， 還有LG的非常多款手機。激光對焦利用了ToF感測器的測距能力，例如LG的G3手機就採用了激光對焦。在攝像頭旁邊有個暗紅色的半透明發射窗口，當對焦時，裡面會發射出測距激光。原理非常簡單，通過測距激光，快速的定位焦點。

ToF感測器成本算不上高，未得到普及主要問題在於發射功率偏低，導致對焦範圍受限。大部分激光對焦均採用了來自意法半導體的兩款ToF感測器，通過查閱技術文檔可知，這兩款感測器的有效範圍均在2米以內。超過這個範圍，將回歸到傳統的反差對焦或相位對焦模式。隨著感測器技術的進步，後置攝像頭激光對焦也逐漸消失在我們的視線中。

多款手機使用的ToF方案 - 來自互聯網

距離感測器

iPhone上使用的ToF組件電路圖 - 來自chipworks

財大氣粗的蘋果就不一樣了。根據Chipworks、上海微技術工研院等多個渠道的的拆解和分析，蘋果從iPhone 7系列開始，前置距離感測器採用了一塊類意法半導體的ToF感測器。蘋果使用這款距離感測器，用來測量打電話時人臉距離的遠近，進而選擇開關屏幕。此外，Chipworks還猜測，這款感測器也可能用作前置攝像頭的輔助對焦對焦。

無人機、無人駕駛避障

大疆dji Spark曉 無人機-兩軸機械增穩雲台+1200萬像素攝像頭/1080p視頻

在Spark上，大疆使用了ToF攝像頭用作避障與手勢信息識別。上圖中，攝像頭上方區域就是ToF攝像機。 通過小型深度相機不斷採集三維空間里的手勢視覺信息。採集到的這些手勢圖像傳輸給飛行器 CPU 進行運算分析，完成後給飛行器發送特定的指令。

3D動作捕捉與識別

Kinect 2是ToF在動作識別領域應用的典型。Vivo這次在MWC上，同樣也展示了ToF用於動作捕捉與識別的功能，將手機作為捕捉入口，與大屏遊戲交互。

ARVRMR應用開發中的3D建模

谷歌Project Tango手機上使用的ToF組件 - 來自互聯網

谷歌的AR技術Tango Project與系列部分機型採用ToF技術進行場景3D建模，包括上圖所示的Project Tango原型機、聯想Phab 2 Pro、華碩ZenFone AR等。微軟也不會放棄來自Kinect 2中的ToF技術，微軟的MR設備里，用於場景3D建模的技術，同樣也是ToF。此外，根據供應鏈消息，蘋果一直沒有放棄在後置攝像頭上使用ToF感測器，用作3D建模。

總結

不同廠商和設備的ToF在硬體實現上大同小異：使用ToF感測器生成深度數據，使用紅外感測器獲得紅外信息，使用RGB感測器獲得色彩信息，以聯想的Phab 2 Pro為例，這款AR手機具有複雜的環境感知功能，其3D攝像頭中的感測器包括英飛凌（Infineon）、PMD飛行時間（ToF）感測器、豪威科技（OmniVision）近紅外全局快門圖像感測器、三星（Samsung）RGB圖像感測器等。 其實ToF感測器在手機上並不是什麼新鮮事物，「激光對焦」曾一度在手機市場流行；也有蘋果手機、平板等設備用於距離感測器；谷歌在Project Tango的探索中，也嘗試過使用ToF方案進行3D建模。但用於3D人臉識別，vivo將是頭一個，它展示了人臉識別、人臉支付等安全認證領域一個全新技術規範和標準，指紋識別將不再是全面屏手機的難題，而且相對於指紋圖來說，人臉的景深信息3D數據既不是完整的照片，也無法列印。非法利用的難度更高，對於移動支付等安全領域也將比指紋更為安全。

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