視覺技術(shù)正在經(jīng)歷從2D到3D的重大轉(zhuǎn)變。事實(shí)上，3D空間計(jì)算的概念早在15至20年前就已經(jīng)被提出。近年來，隨著3D傳感器、人工智能（AI）、大數(shù)據(jù)以及機(jī)器人過程自動(dòng)化等領(lǐng)域的快速發(fā)展，我們能夠?qū)崿F(xiàn)更加實(shí)時(shí)且精確的3D目標(biāo)檢測(cè)。這不僅極大地提升了機(jī)器人在物體識(shí)別、檢測(cè)、分揀等方面的能力，還加強(qiáng)了它們?cè)谝曈X定位/導(dǎo)航及有效避障等方面的性能。安森美（onsemi）即將推出的iToF（間接飛行時(shí)間）產(chǎn)品，為3D應(yīng)用領(lǐng)域帶來了革新性的選擇。

3D相機(jī)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)

過去數(shù)十年中，2D成像技術(shù)有了長足的發(fā)展，分辨率從幾十萬像素發(fā)展到現(xiàn)在的上億像素，色彩還原更真實(shí)，逆光環(huán)境下也能通過HDR技術(shù)提升圖像質(zhì)量。然而，2D圖像僅能夠提供紋理（色彩）信息，無法提供實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)識(shí)別、追蹤等功能所需的空間形貌、幾何尺寸、位姿等信息。

3D視覺技術(shù)相對(duì)于2D技術(shù)提供了更豐富的被攝目標(biāo)信息，可以在六個(gè)自由度（x、y、z、旋轉(zhuǎn)、俯仰、橫擺）上定位被攝目標(biāo)，還原人眼視角的三維立體世界。基于3D視覺傳感器采集的信息，不但有紋理（色彩）信息，還增加深度信息，即視場(chǎng)內(nèi)的空間幾何尺寸信息。這樣圍繞著物體、空間掃描一圈，就能得到點(diǎn)云圖和精準(zhǔn)的1:1還原的3D模型。這些信息作為輸入，應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)大為增多，性能也會(huì)大幅提升。

目前市場(chǎng)上的3D相機(jī)產(chǎn)品主要是雙目相機(jī)、結(jié)構(gòu)光相機(jī)、ToF相機(jī)，每種設(shè)計(jì)都有其局限性。例如，雙目相機(jī)在低照度下精度不佳，面對(duì)特征點(diǎn)少的平坦墻壁也存在挑戰(zhàn)，對(duì)計(jì)算能力要求較高；結(jié)構(gòu)光則需要復(fù)雜的光源系統(tǒng)，測(cè)量距離偏短；ToF則存在多路徑反射，分辨率普遍較低，在室外陽光下存在挑戰(zhàn)。各種挑戰(zhàn)歸納如下：

鏡頭選型設(shè)計(jì)：工程師在開發(fā)過程中會(huì)遇到鏡頭選型設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，比如景深、光圈、角度、畸變、MTF、成本之間的平衡，往往為了一個(gè)最佳的產(chǎn)品需要進(jìn)行鏡頭的定制。

體積與功耗：在AGV/AMR等移動(dòng)設(shè)備上，雙目相機(jī)的設(shè)計(jì)往往還需要考慮體積，需要選擇芯片封裝較小且高性能的GS圖像傳感器芯片，2顆芯片的控制和輸出需要嚴(yán)格同步。同時(shí)，雙目相機(jī)在組裝精度方面也有較高的要求。由于是電池應(yīng)用，對(duì)于低功耗的需求也是非常重要的。

電源與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)：在進(jìn)行ToF產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，電源設(shè)計(jì)以及VCSEL驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)往往會(huì)存在挑戰(zhàn)，如何確保VCSEL能達(dá)到滿意的反光功率是需要重點(diǎn)考慮的問題，存在一版不成功需要改版的風(fēng)險(xiǎn)。

內(nèi)參校正：iToF相機(jī)的內(nèi)參校正硬件治具設(shè)計(jì)和方案也是工程師比較頭疼的地方。

ToF技術(shù)的特點(diǎn)

ToF技術(shù)通過發(fā)射和反射光信號(hào)之間的時(shí)間延遲來測(cè)量，給定固定的光速。為了精確地測(cè)量時(shí)延，經(jīng)常使用短光脈沖。這種技術(shù)與3D激光傳感器原理基本類似，只不過3D激光傳感器是逐點(diǎn)掃描，而ToF相機(jī)則是同時(shí)得到整幅圖像的深度信息。

ToF技術(shù)的特點(diǎn)包括：

魯棒性高：與結(jié)構(gòu)光方式相比，ToF并不需要對(duì)光的圖案做復(fù)雜解析，只需要反射回來即可，這大大提高了魯棒性，深度信息還原度比結(jié)構(gòu)光好很多，點(diǎn)云的完整性更好。

抗干擾能力強(qiáng)：深度圖質(zhì)量要高于結(jié)構(gòu)光，抗強(qiáng)光的干擾能力也更強(qiáng)一些，精度也要更高一些。但對(duì)于玻璃，是光技術(shù)的死穴，只能靠其他技術(shù)來彌補(bǔ)。

速度高但精度有限：ToF速度高，但精度只有毫米級(jí)。ToF技術(shù)的難度較高，成本也較高。

dToF與iToF：ToF分為dToF和iToF。dToF和iToF在傳感器原件上的區(qū)別是：iToF是使用CMOS工藝開發(fā)的圖像傳感器，而dToF需要使用單光子雪崩二極管（SPAD）的傳感器。dToF有長距離與抗干擾性的特點(diǎn)，較適用于長距離的量測(cè)。而iToF由于有成本與空間圖像分辨率的優(yōu)勢(shì)，很適合AI應(yīng)用。由于iToF除了對(duì)于距離與空間的重現(xiàn)具有高度的可靠度外，還有分辨率的優(yōu)勢(shì)，近年發(fā)展很快。iToF之所以流行，因?yàn)橄啾扔诮Y(jié)構(gòu)光、多目等3D感知方案，iToF是相對(duì)簡單的。

安森美的解決方案

安森美提供了一套全面的解決方案，以支持3D視覺技術(shù)的發(fā)展。對(duì)于每款傳感器，安森美都會(huì)提供一份推薦鏡頭選型表，涵蓋了市場(chǎng)上常用的鏡頭選項(xiàng)，并且能夠根據(jù)客戶需求進(jìn)行鏡頭定制及性能測(cè)試評(píng)估。除了提供高性能的圖像傳感器芯片外，安森美還提供了詳盡的參考設(shè)計(jì)文檔和應(yīng)用手冊(cè)，幫助客戶簡化設(shè)計(jì)流程，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。安森美的圖像傳感器支持多種相機(jī)同步模式，并且在功耗控制方面優(yōu)于同類產(chǎn)品。特別地，針對(duì)主流應(yīng)用場(chǎng)景，安森美都進(jìn)行了PRISM模組的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，使得客戶可以直接采購這些預(yù)先集成好的模組，從而大大節(jié)省了開發(fā)成本和時(shí)間。

此外，為了解決市場(chǎng)上iToF產(chǎn)品普遍存在的分辨率低、測(cè)量距離短以及抗陽光干擾能力弱的問題，安森美即將推出全新的1.2 M 像素的iToF產(chǎn)品。該小尺寸（1/3英寸）的背照式（BSI）全局快門傳感器內(nèi)置了深度計(jì)算模塊，可以直接輸出深度信息。內(nèi)部緩存機(jī)制有效減少了運(yùn)動(dòng)物體產(chǎn)生的偽影。其特有的Smart iToF模式加上940nm波長下超過40%的QE，即使在室外強(qiáng)光條件下也能保持良好的測(cè)量精度。更重要的是，其采用了簡化的校準(zhǔn)方法，無需復(fù)雜的移動(dòng)治具即可完成校正，這不僅降低了開發(fā)成本，也提高了生產(chǎn)效率。在3D傳感技術(shù)的加持下，未來機(jī)器視覺將朝向3D視覺方向不斷發(fā)展和精進(jìn)。安森美將通過不斷更新的創(chuàng)新性解決方案，為3D視覺技術(shù)的應(yīng)用提供強(qiáng)有力的支持。