TOF是Time of flight的簡寫，直譯為飛行時(shí)間的意思。所謂飛行時(shí)間法3D成像，是通過給目標(biāo)連續(xù)發(fā)送光脈沖，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過探測光脈沖的飛行（往返）時(shí)間來得到目標(biāo)物距離。

軍事上和無人駕駛汽車上用的工業(yè)級(jí)激光雷達(dá)（LiDAR）也采用到了ToF技術(shù)，利用激光束來探測目標(biāo)的位置、速度等特征量，結(jié)合了激光、全球定位系統(tǒng)GPS和慣性測量裝置（Inertial Measurement Unit，IMU）三者的作用，進(jìn)行逐點(diǎn)掃描來獲取整個(gè)探測物體的深度信息。

我們這里主要關(guān)注的是可集成在消費(fèi)類電子產(chǎn)品的小型化ToF相機(jī)。ToF相機(jī)與普通相機(jī)成像過程類似，主要由光源、感光芯片、鏡頭、傳感器、驅(qū)動(dòng)控制電路以及處理電路等幾部分關(guān)鍵單元組成。ToF相機(jī)包括兩部分核心模塊，發(fā)射照明模塊和感光接收模塊，根據(jù)這兩大核心模塊之間的相互關(guān)聯(lián)來生成深度信息。ToF相機(jī)的感光芯片根據(jù)像素單元的數(shù)量也分為單點(diǎn)和面陣式感光芯片，為了測量整個(gè)三維物體表面位置深度信息，可以利用單點(diǎn)ToF相機(jī)通過逐點(diǎn)掃描方式獲取被探測物體三維幾何結(jié)構(gòu)，也可以通過面陣式ToF相機(jī)，拍攝一張場景圖片即可實(shí)時(shí)獲取整個(gè)場景的表面幾何結(jié)構(gòu)信息，面陣式ToF相機(jī)更易受到消費(fèi)類電子系統(tǒng)搭建的青睞，但是技術(shù)難度也更大。

TOF的照射單元都是對光進(jìn)行高頻調(diào)制之后再進(jìn)行發(fā)射，一般采用LED或激光（包含激光二極管和VCSEL）來發(fā)射高性能脈沖光，脈沖可達(dá)到100MHz左右，主要采用紅外光。當(dāng)前市面上已有的ToF相機(jī)技術(shù)大部分是基于連續(xù)波（continuous wave)強(qiáng)度調(diào)制方法，還有一些是基于光學(xué)快門的方法，原理略有不同。分別的原理如下圖所示：基于光學(xué)快門的方法的原理非常簡單，發(fā)射一束脈沖光波，通過光學(xué)快門快速精確獲取照射到三維物體后反射回來的光波的時(shí)間差t，由于光速c已知，只要知道照射光和接收光的時(shí)間差，來回的距離可以通過公示d = t/2· c。 此種方法原理看起來非常簡單，但是實(shí)際應(yīng)用中要達(dá)到較高的精度仍具有很大的挑戰(zhàn)，如控制光學(xué)快門開關(guān)的時(shí)鐘要求非常高的精度，還要能夠產(chǎn)生高精度及高重復(fù)性的超短脈沖，照射單元和TOF傳感器都需要高速信號(hào)控制，這樣才能達(dá)到高的深度測量精度。 假如照射光與ToF傳感器之間的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生10ps的偏移，就相當(dāng)于1.5mm的位移誤差。

另一種已有的基于連續(xù)波強(qiáng)度調(diào)制的ToF工作原理如下：發(fā)射一束照明光，利用發(fā)射光波信號(hào)與反射光波信號(hào)的相位變化來進(jìn)行距離測量。其中，照明模組的波長一般是紅外波段，且需要進(jìn)行高頻率調(diào)制。ToF感光模組與普通手機(jī)攝像模組類似，由芯片，鏡頭，線路板等部件構(gòu)成，ToF感光芯片每一個(gè)像元對發(fā)射光波的往返相機(jī)與物體之間的具體相位分別進(jìn)行錄，通過數(shù)據(jù)處理單元提取出相位差，由公式計(jì)算出深度信息。該芯片傳感器結(jié)構(gòu)與普通手機(jī)攝像模組所采用的CMOS圖像傳感器類似，但更復(fù)雜一些，它包含調(diào)制控制單元，A/D轉(zhuǎn)換單元，數(shù)據(jù)處理單元等，因此ToF芯片像素比一般圖像傳感器像素尺寸要大得多，一般20um左右。也需要一個(gè)搜集光線的鏡頭，不過與普通光學(xué)鏡頭不同的是這里需要加一個(gè)紅外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。由于光學(xué)成像系統(tǒng)不同距離的場景為各個(gè)不同直徑的同心球面，而非平行平面，所以在實(shí)際使用時(shí)，需要后續(xù)數(shù)據(jù)處理單元對這個(gè)誤差進(jìn)行校正。ToF相機(jī)的校正是生產(chǎn)制程中必不可少的最重要的工序，沒有校正工序，ToF相機(jī)就無法正常工作。

TOF技術(shù)優(yōu)勢

體積小，誤差小

TOF相機(jī)要求接收端與發(fā)射端盡可能的接近，越接近，由于發(fā)射、接收路徑不同而帶來的誤差就越小，從體積緊湊角度來講有著天然的優(yōu)勢；

直接輸出深度信息

TOF可以直接輸出深度信息，不需要類似雙目立體視覺或者結(jié)構(gòu)光等需要通過算法計(jì)算來獲得深度信息。

抗干擾強(qiáng)

TOF不受表面灰度和特征影響，太陽光由于沒有經(jīng)過調(diào)制，所以TOF抗強(qiáng)光能力也較好。TOF的精度不隨著距離的變化而變化，基本可以穩(wěn)定在cm級(jí)。

TOF技術(shù)劣勢

分辨率偏低，功耗大 ,功耗部分有待提高。

解決方案不夠成熟

汽車：TOF傳感器可以用于自動(dòng)駕駛，通過TOF技術(shù)對行車環(huán)境進(jìn)行感知，從而獲取環(huán)境信息以增加安全性，此外TOF還可以用于汽車內(nèi)的乘客離位檢測。

工業(yè)領(lǐng)域：TOF傳感器可以被用作HMI(人機(jī)接口：Human Machine Interface)，在高度自動(dòng)化的工廠中，工人和機(jī)器人需要在很近的距離下協(xié)同工作，TOF設(shè)備可以用于控制各種情形下的安全距離。

人臉識(shí)別系統(tǒng)：TOF相機(jī)的亮度圖像和深度信息可以通過模型連接起來，迅速精準(zhǔn)的完成人臉匹配和檢測。

物流行業(yè)：通過 TOF 相機(jī)迅速獲得包裹的拋重（即體積），來優(yōu)化裝箱和進(jìn)行運(yùn)費(fèi)評(píng)估；

安防和監(jiān)控：利用景深進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計(jì)（ Peoplecounting）俗稱“數(shù)人頭”，確定進(jìn)入某區(qū)域的人數(shù)；通過對人流或復(fù)雜交通系統(tǒng)的人數(shù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對安防系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析設(shè)計(jì)；以及敏感地區(qū)的檢測對象監(jiān)視；

機(jī)器視覺：工業(yè)定位、工業(yè)引導(dǎo)和體積預(yù)估；替代工位上占用大量空間的、基于紅外光進(jìn)行安全生產(chǎn)控制的設(shè)備；

機(jī)器人：使用深度視覺進(jìn)行導(dǎo)航、識(shí)別外界的環(huán)境、規(guī)劃路徑、實(shí)現(xiàn)避障工作等；

醫(yī)療和生物：足部矯形建模、病人活動(dòng)/狀態(tài)監(jiān)控、手術(shù)輔助；

互動(dòng)娛樂：動(dòng)作姿勢探測、表情識(shí)別、娛樂廣告；在制作影視特效時(shí)，TOF相機(jī)可以將深度信息附加在視頻圖像中，精確確定場景中每個(gè)像素的空間位置。通過簡單的后期處理，就能將特效道具插入影片的任何位置

最后我想說的是成人的世界更多的是利弊，技術(shù)的世界無非對錯(cuò)，那我們就交給時(shí)間，讓時(shí)間來驗(yàn)證吧。