TOF相機簡介

分析2D影像在機器視覺應用中非常有用，但有時，建立物體的3D影像是有必要的，如機器人，物流應用或自動駕駛車輛等領域。

可以提供3D影像資訊的成像技術有很多，這些3D影像資訊可以用於機器視覺應用。 其中鐳射掃描技術使用投射的光線到表面上來獲取3D資訊，通過移動的鐳射線掃，一臺標準的2D攝像機通過拍攝物體的許多線掃影像來得到3D資訊。

其他技術還有如雙目立體視覺，結構光和飛行時間ToF，他們不需要掃描物體。

本文將介紹飛行時間技術的基本工作原理，簡稱：ToF ，內容覆蓋優點，缺點和ToF在機器視覺領域的應用。

組成

ToF是一種快速，易於安裝，更簡單且成本效益高的技術
ToF相機由以下主要部件組成：

• 一個鏡頭
• 一個整合光源
• 一個儲存所有捕獲影像資訊的感測器
• 一個介面

這個系統能夠捕獲深度和強度資訊，同時處理影像中的每個畫素，這些相機在機器視覺應用中具有巨大的潛力，

深度資訊與強度和物體顏色無關，您可以用相對簡單的演算法將物體從背景中分離出來，此外其緊湊的結構，使用方便，高精度（約1cm）和高幀率，使得ToF相機成為廣泛應用的解決方案。

原理

一個TOF相機的工作原理，首先用脈衝或連續波光源照亮場景，然後接收反射光，TOF相機基於脈衝光源原理，測量光脈衝從發射器到達現場所需的時間，然後反射回來。由於光的速度是已知的，所以通過使用基本的數學方法來計算所有的距離。

然後可以確定物體表面上的點，使用連續波的飛行時間檢測反射光的相移，調製建立一個確定頻率的正弦頻率光，檢測器確定反射光的相移，再次通過簡單的數學計算，可以輕鬆計算場景中每個點的深度資訊。

無論您使用什麼提供的光源調製技術，照亮整個場景可以確定所有的景深。出來的結果是一個範圍圖，其中每個畫素編碼對應到實際場景中離相機的距離。

那麼ToF的結果影像是什麼樣的？ 如下

此示例將深度資訊顯示為偽彩色影像，藍色代表最遠，紅色代表很接近。 由於ToF相機在獲取深度資訊的同時，並行地捕捉正常的2D強度影像，我們可以合併2D強度資訊建立一個有紋理的3D圖形。

優勢

與其他3D測量技術相比，ToF具有如下優點

• 高解析度
• 實時性好
• 低照度環境效果好
• 成本適中

劣勢

儘管有這些優點，它還是有一些限制。

• 雜散光
  散射光主要是由於不需要的反射光，
  鏡頭表面比較明亮，加上它非常靠近相機，很多光線會散射到鏡頭中。

• 多次反射光
  ToF距離測量需要僅反射一次的光線，多次反射的光線會扭曲測量結果，多次反射通常由角落和凹面形狀產生。

• 環境光
  環境光如陽光等使室外使用變得困難，高強度的日光導致感測器畫素的快速飽和，無法檢測到來自光源的實際反射光。

• 多臺相機
  多臺相機可能會影響測量結果,因為它們各自的光源會互相干擾。

• 品牌差異
  製造商品牌不同，ToF相機的工作距離可能會有很大差異。

• 精度
  在最佳設定下，相機的深度精度仍然只有1釐米左右。 但即使如此，沒有更快的方式來捕捉3D資訊。

應用

• 在物流領域，ToF相機可用於包裝協助，盒子填充，堆疊，體積掃描或貼標籤。

• 在機器人和工廠自動化領域中，ToF攝像機用於查詢，拾取或安裝物體。他們很容易檢測到損壞的物體或堆垛層錯

• 在醫療領域，ToF相機在患者監護和患者定位方面發揮著重要作用。

• 在自動駕駛車輛領域，這些攝像頭是導航和安全警告的重要工具。

這些應用證明了TOF技術正在發生革命性的變化，機器視覺行業中，3D資訊科技方案是有潛力廣泛應用的解決方案。