2025年深度相机（二）——飞行时间（TOF）

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深度相机按照深度测量原理不同，一般分为：飞行时间法、结构光法、双目立体视觉法。本文就来说一说飞行时间法。

一、TOF简介

飞行时间是从Time of Flight直译过来的，简称TOF。其基本原理是通过连续发射光脉冲（一般为不可见光）到被观测物体上，然后用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行（往返）时间来得到目标物距离。这种技术跟3D激光传感器原理基本类似，只不过3D激光传感器是逐点扫描，而TOF相机则是同时得到整幅图像的深度信息。TOF相机与普通机器视觉成像过程也有类似之处，都是由光源、光学部件、传感器、控制电路以及处理电路等几部单元组成。与同属于非侵入式三维探测、适用领域非常类似的双目测量系统相比，TOF相机具有根本不同的3D成像机理。双目立体测量通过左右立体像对匹配后，再经过三角测量法来进行立体探测，而TOF相机是通过入、反射光探测来获取的目标距离获取。

TOF技术采用主动光探测方式，与一般光照需求不一样的是，TOF照射单元的目的不是照明，而是利用入射光信号与反射光信号的变化来进行距离测量，所以，TOF的照射单元都是对光进行高频调制之后再进行发射，比如下图所示的采用LED或激光二极管发射的脉冲光，脉冲可达到100MHz。与普通相机类似，TOF相机芯片前端需要一个搜集光线的镜头。不过与普通光学镜头不同的是这里需要加一个带通滤光片来保证只有与照明光源波长相同的光才能进入。同时由于光学成像系统具有透视效果，不同距离的场景为各个不同直径的同心球面，而非平行平面，所以在实际使用时，需要后续处理单元对这个误差进行校正。作为TOF的相机的核心，TOF芯片每一个像元对入射光往返相机与物体之间的相位分别进行纪录。该传感器结构与普通图像传感器类似，但比图像传感器更复杂，它包含2个或者更多快门，用来在不同时间采样反射光线。因为这种原因，TOF芯片像素比一般图像传感器像素尺寸要大得多，一般100um左右。照射单元和TOF传感器都需要高速信号控制，这样才能达到高的深度测量精度。比如，照射光与TOF传感器之间同步信号发生10ps的偏移，就相当于1.5mm的位移。而当前的CPU 可到3GHz，相应得时钟周期是300ps，则相应得深度分辨率为45mm。运算单元主要是完成数据校正和计算工作，通过计算入射光与反射光相对相移关系，即可求取距离信息。

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TOF的优势：与立体相机或三角测量系统比，TOF相机体积小巧，跟一般相机大小相去无几，非常适合于一些需要轻便、小体积相机的场合。TOF相机能够实时快速的计算深度信息，达到几十到100fps。TOF的深度信息。而双目立体相机需要用到复杂的相关性算法，处理速度较慢。TOF的深度计算不受物体表面灰度和特征影响，可以非常准确的进行三维探测。而双目立体相机则需要目标具有良好的特征变化，否则会无法进行深度计算。TOF的深度计算精度不随距离改变而变化，基本能稳定在cm级，这对于一些大范围运动的应用场合非常有意义。