飞行时间（ToF）技术方案具有不易受外界光干扰、体积小巧、响应速度快以及识别精度高等多重优势，在人脸识别/支付、智能手机摄像头、自动驾驶距离感知、工业人机协同距离监测、物流机器人导航等应用中呈现井喷态势。然而，令人诧异的是，一向引领技术风向的苹果公司，却直到2020年3月才首次接纳ToF技术。

在ToF的两种实现技术中，苹果放弃了间接测距iToF (indirect ToF)，选择了新兴的直接测距dToF (direct ToF)，并连续将基于dToF的激光雷达扫描仪用于iPad Pro、iPhone 12 Pro及以上的高端机型中。为什么苹果作此选择？此番高调站队会吸引产业链重演AirPods大型“真香”吗？我们试着从ToF技术中坚力量ADI公司的方案入手，探讨下市场的未来吧。

ToF渐成深度传感首选方案

3D视觉主流方案主要包括ToF、双目视觉和结构光。其中，ToF方案是通过使用调制光源（例如激光或LED）主动照亮物体，并用对激光波长敏感的图像传感器捕捉反射光，以此测量出目标距离。通俗点说，就是ToF发射器发射出一整面平整的‘光墙’，这面光墙打到被测物体表面反射回来，并带回来了被测物体的深度信息。

图. 简单的飞行时间测量示意图

对比双目和结构光方案，ToF最大的优点在于测距，测量范围可近可远，一般在100m以内；测量精度往往不随距离改变而变化，基本都能够保持在厘米级别；不受光照变化和物体纹理影响，室外空间同样适用。因此在包含大范围运动的场景下，ToF适用度非常高。

图. 3D视觉主流方案对比

凭借不易受外界光干扰、可适用于多种环境下工作，且体积小巧、响应速度快、识别精度高、动态感测范围更宽等多重优势，ToF 日渐成为深度传感的首选技术方案。从ADI的ToF方案的发展，也能窥见该技术的边界在不断地拓展。2014年，ADI为国外知名AR眼镜定制ToF方案，成功落地并实现人机交互和3D重建功能；2016-2017年，ADI ToF技术用于车内手势识别；2018年，ADI ToF技术开始与品牌手机合作并成功批量上市，进入国民级应用场景……

物流、质检、导航、机器人、人脸识别、安保、监控、安全、医疗健康和驾驶员监控等等，高分辨率深度数据与强大的分类算法以及AI相结合的巨大推力下，3D深度传感ToF技术正在解锁更多新的应用方向。

图. ADI ToF方案应用发展时间轴

苹果站队ToF技术路线

目前，业界最常用的ToF技术是连续波（CW）方法和脉冲方法。通俗地说，连续波方法是间接的iToF，通常是采用周期调制信号进行主动发光，然后对接收到的信号进行零差解调以测量反射光的相移，间接计算出光的飞行时间，从而确定物体距发射端的距离。

脉冲方法即直接测量光飞行时间的dToF，通常是由光源发出一系列N 个激光短脉冲，这些脉冲被反射回带有电子快门的传感器，其飞行时间可被记录下，从而可确定三维物体与发射端的距离。

对比而言，脉冲ToF技术系统具有如下三大优势，这也是苹果站队脉冲式ToF、并寄望于藉此布局VR/AR的主因之一。一是由于通常依赖于在很短的时间窗口内发出高能光脉冲，便于设计鲁棒性强的系统，更适用于户外；且曝光时间越短，运动模糊的效应越小。二是信号占空比通常比同等水平的连续波系统要低得多，脉冲ToF对于长期工作的应用，可以降低系统的总功耗，且通过将脉冲群放置在与其他系统不同的帧位置，可避免来自其他脉冲ToF系统的干扰。三是因脉冲时序和宽度不需要一样，所以可以采用不同的时序方案，支持实现更宽的动态范围和自动曝光等功能。

但为了精确同步光脉冲，脉冲ToF系统每秒需要对数百万个像素执行计算，并根据工作环境及时调整，这对混合信号电路设计与应用而言极具挑战；从技术成熟度和应用导入来看，成本仍相对较高——这也是脉冲ToF方案目前未能在消费电子市场叱诧风云的主要原因。

上游技术力量推动ToF蓄势待发

ADI是为数不多拥有技术专长、可提供兼具高性能和成本效益的ToF解决方案的公司之一。ADI的脉冲ToF CCD系统，使用高性能ToF CCD和集成了12位ADC、深度处理器（将来自CCD的原始模拟图像信号处理成深度/像素数据），以及高精度时钟发生器（为CCD和激光器生成驱动时序）的TOF模拟处理前端ADDI903x。

图. ADI ToF系统功能框图

ADI的ToF系统相比其它方案具备以下优点：

· 使用了分辨率为640×480的ToF图像传感器，比市面上大部分ToF解决方案的分辨率高4倍。

· 使用了对940nm波长高度灵敏的传感器，能够在室外环境或具有强环境光的区域采集到更多的有效信号。

· 深度处理器采用伪随机化算法和特殊的图像处理功能，可以消除多机干扰，因此可以在同个环境中使用多个ADI的ToF系统。

如下图示例，在户外使用三个不同的深度测量系统来测量距离。值得注意的是，使用850 nm光源的CMOS ToF系统很难分辨出人与三脚架，而ADI的CCD ToF系统却能够清晰地分辨出两者。

图. 户外图像的深度图比较

可以看到，当下的ToF市场中，ADI等上游技术力量着力提高元器件性能，苹果等终端厂商正竭力探索创新应用。未来，随着双方形成合力，脉冲ToF技术已隐现复刻AirPods发展历程的潜质。届时，ToF技术将真正实现更优的成本、功耗、稳定性等多方面平衡，进一步带动其在3D识别、VR/AR、自动驾驶、工业机器人、物联网等细分市场的快速导入与广泛应用，最终整个ToF生态圈都将由此获得真正受益。

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