ToF技術是什麼？和結構光技術又有何區別
文章相關引用及參考：映維網
本文來自靈犀AR，靈犀AR致力於為消費級AR提供主流技術解決方案
（映維網 2018年11月29日）作為SLAM（定位與地圖構建）應用的支撐，深度相機小型化必然帶動SLAM技術普及。其中受益最大的當屬手機和AR眼鏡。
對於AR眼鏡來說，SLAM是一項必備的底層技術。支撐這項技術的關鍵，就是用深度相機解決定位和建圖。為什麼這麼說？因為一個實用便攜的AR眼鏡，必定是經常佩戴的，而且要滿足在各種場合無論室內還是室外，都能有高精度、快響應的穩定性能。目前在各種深度相機方案當中，符合這些性能，小型化，適合在AR眼鏡上使用的就是ToF技術。
ToF技術到底是什麼？和現在大熱的結構光技術、雙目立體視覺技術到底有什麼區別？分別都有哪些特性？
一、ToF
ToF（Time of Flight）飛行時間
字面理解就是通過光的飛行時間來計算距離
ToF的基本原理是通過紅外發射器發射調製過的光脈衝，遇到物體反射後，用接收器接收反射回來的光脈衝，並根據光脈衝的往返時間計算與物體之間的距離。這種調製方式對發射器和接收器的要求較高，光速那麼快，對於時間的測量有極高的精度要求。
在實際應用中，通常調製成脈衝波（一般是正弦波），當遇到障礙物發生漫反射，再通過特製的CMOS感測器接收反射的正弦波，這時波形已經產生了相位偏移，通過相位偏移可以計算物體到深度相機的距離。
原理不複雜，但要實現較高的測量精度，並將發射接收模塊小型化並不容易。
由於測量光的飛行時間需要非常高的頻率和精度，早期的ToF設備在體積上一直存在問題，成本也高，所以多只用於工業領域。ToF的小型化極大依賴於近年來集成電路與感測器技術上的突破，使得在CMOS晶元上對光脈衝相位的測量逐漸變得可行。有晶元上的解決方案，才有小型化和低成本的產品出現。
據說目前最小的ToF模塊IRSZ238XC，整個模塊（包括感測器，鏡頭IR發射器及電路）尺寸為12mm×8mm。外形更小巧，擁有比以前晶元更高的解析度，達38,000像素。
二、結構光
結構光 (Structured Light)
結構光是通過紅外激光器，將具有一定結構特徵的光線投射到被拍攝物體上，再由專門的紅外攝像頭進行採集反射的結構光圖案，根據三角測量原理進行深度信息的計算。
iPhoneX上的Truedepth相機，用的是以色列PrimeSense公司的Light Coding技術。這種結構光方案，通過投射人眼不可見的偽隨機散斑紅外光點到物體上，每個偽隨機散斑光點和它周圍一定範圍內的點集在空間分布中的每個位置都是唯一的，並將預先進行了存儲。
這些散斑投影在被觀察物體上的大小和形狀根據物體和相機的距離和方向而不同，由此計算深度信息。
這種方案和ToF相比，計算量少功耗低，在近距離範圍內精度更高，所以在人臉識別，手勢識別方面極具優勢。
當然，結構光的缺點也比較明顯。
由於投射的經過編碼的圖像或散斑光點，在室外容易被強自然光淹沒，所以結構光方案在室外並不好用。當物體距離相機較遠時，物體上投射到的圖像或光點越大，精度也越差；它也容易受光滑平面的反光影響，比如投射到鏡子上。
P.S. 想像一下手電筒，幾萬個點投射在你手上，和投射在10米遠處的物體上，每個點覆蓋的面積是不是放大了很多倍?精度就會自然降低很多。
說回ToF技術。相較之下，ToF設備要求發光器件與接收器件間儘可能接近，越接近，由於發射-接收路徑不同所產生的誤差就越小。因此，ToF技術更利於設備的小型化，對於手機或是AR產品實現輕便緊湊的外形非常重要。
三、測量距離、解析度、開發周期的對比
測量距離方面，ToF也具備一定優勢。由於ToF接收感測器所接收的每個像素點對應一個物體表面的實際位置，只要有反射光回來，就可以通過解相位的方法獲取到深度。其測量精度不會隨著測量距離的增大而降低，其測量誤差在整個測量範圍內基本上是固定的。而且由於太陽光並未經過調製，可以簡單認為它對相位是沒有影響的，所以ToF對於室外強光環境也有一定的魯棒性。
解析度方面，採用ToF技術的深度相機解析度目前還偏低，一般也就320*240的水準，功耗上也略微不盡人意。
開發周期和解決方案方面，ToF因基於它的解決方案出現較晚，開發群體較為薄弱。而結構光技術，一方面PrimeSense（Kinect 1）當年的如日中天留下了無數成型的解決方案，有Intel支持的RealSense又有著非常強大的SDK，這些都使得基於結構光的開發周期可以比較短。
綜合來看，對於AR眼鏡，無論是設備小型化需要還是實現SLAM需要的實時三維建圖，ToF都有很大的優勢。目前的一些「旗艦」產品HoloLens、Magic LeapOne的深度攝像頭用的也都是ToF技術。
當然，ToF目前對於近距離的手勢識別精度還有待提高。隨著技術的發展，究竟哪種技術會成為主流還未可知，但終將會出現被大家廣泛使用於AR眼鏡的三維測量方案，到時AR眼鏡的普及率已經有很大提升了吧。
讓我們眼前一亮的總是我們未曾想到的東西，這才是科技最大的魅力，不是嗎？
ToF技術是什麼？和結構光、雙目立體視覺有何區別 - 映維網
推薦閱讀：