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技術(shù)文章

你真的會(huì)用TOF相機(jī)嗎？

閱讀：2421 發(fā)布時(shí)間：2019-4-25

猶如單反相機(jī)需要解決很多問題才能在特定的場(chǎng)景下用好。TOF相機(jī)作為專業(yè)的測(cè)距儀器，也需要掌握很多技巧才能充分發(fā)揮其能力，能解決下面幾個(gè)問題才算是勉強(qiáng)入門。

近年來，三維視覺成像越來越多的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)仿真，無人駕駛和目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域。激光雷達(dá)因?yàn)榫哂懈呔?、測(cè)距范圍遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)，在無人駕駛技術(shù)出現(xiàn)之后，更是直接驅(qū)動(dòng)一批公司進(jìn)行各種各樣的激光雷達(dá)研發(fā)和生產(chǎn)。然而目前普遍存在激光雷達(dá)技術(shù)落地成本高昂，反饋幀率較低的問題，導(dǎo)致部分應(yīng)用都還處于實(shí)驗(yàn)室階段。室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人由于運(yùn)行速度和所處場(chǎng)景與室外無人駕駛汽車不同，通常需要較高幀率和更高分辨率的激光雷達(dá)。因?yàn)槎嗑€激光雷達(dá)的成本原因，目前大多數(shù)室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人采用單線激光雷達(dá)用于定位、導(dǎo)航、避障等等，但是由于天然的缺陷，單線激光雷達(dá)無法構(gòu)建完備的深度場(chǎng)景。

因此，另一種直接進(jìn)行深度成像的相機(jī)，包括雙目、結(jié)構(gòu)光、光飛行時(shí)間等等成了更多項(xiàng)目的硬需求。

光飛行時(shí)間法（TOF）深度相機(jī)是通過測(cè)量光從發(fā)出到經(jīng)過物體反射回相機(jī)的時(shí)間來測(cè)量物體到相機(jī)的間距。TOF相機(jī)采用直接的測(cè)量手段進(jìn)行深度成像，以小的計(jì)算資源獲得較佳的深度信息，以較高的幀率實(shí)現(xiàn)深度場(chǎng)景的構(gòu)建。TOF深度相機(jī)按照其基本原理，和激光雷達(dá)一樣，也可分為脈沖TOF（P_TOF）和連續(xù)波調(diào)制TOF（CVM_TOF）。P_TOF發(fā)射光脈沖（一般為不可見光）到被觀測(cè)物體上，然后接收從物體反射回來的光脈沖，通過探測(cè)光脈沖的飛行（往返）時(shí)間來計(jì)算被測(cè)物體離相機(jī)的距離；CVM_TOF發(fā)出的是一束調(diào)制的連續(xù)光，通過測(cè)量光返回和傳輸?shù)南辔徊罘赐乒怙w行時(shí)間進(jìn)行測(cè)距的。倘若想獲得準(zhǔn)確的深度測(cè)量數(shù)據(jù)至少需要解決以下幾個(gè)問題。

一、相機(jī)精度不夠，真的只是廠家的原因嗎？

簡(jiǎn)單的辦法是增加積分時(shí)間或進(jìn)行多次測(cè)量，再不行就加濾波。
我們說的精度其實(shí)通常是指單點(diǎn)波動(dòng)，1-σ，TOF相機(jī)作為一種光電測(cè)量工具其精度免不了受AD轉(zhuǎn)化、信噪比、系統(tǒng)噪聲等影響。下面這張圖描述了測(cè)量精度與信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系。

TOF測(cè)距需要把光電模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，ADC過程中，模擬信號(hào)相當(dāng)于在小分辨力上進(jìn)行了取整處理，這個(gè)過程必然會(huì)引入一部分噪聲。1.1V的模擬信號(hào)可能只能識(shí)別成1V的信號(hào)，誤差10%，模擬量10.1V的信號(hào)經(jīng)過AD之后可能只能識(shí)別成10V的信號(hào)，誤差1%，100.1V的信號(hào)識(shí)別成100V，誤差1‰。所以AD轉(zhuǎn)化過程在信號(hào)強(qiáng)度比較低的時(shí)候尤其會(huì)引入噪聲和誤差。另外，TOF相機(jī)的信噪比SNR通常與積分時(shí)間t的關(guān)系為SNR∝1/ √t，所以增加積分時(shí)間，提高信號(hào)強(qiáng)度或許是一個(gè)有效的解決辦法。

而對(duì)于系統(tǒng)引入的噪聲，也不是沒有一點(diǎn)辦法，可以從電源供電優(yōu)化等角度降低，但優(yōu)化的空間較小。簡(jiǎn)單來說，信號(hào)強(qiáng)度越大測(cè)距精度越高（當(dāng)然過曝除外），那么想要獲得較高的測(cè)距精度，首先就從信號(hào)強(qiáng)度下手。

同樣的道理，系統(tǒng)的噪聲在多次測(cè)量過程中會(huì)被平均掉，同樣也會(huì)對(duì)提高相機(jī)的測(cè)距精度有幫助。

二、測(cè)量準(zhǔn)度不夠，什么原因？

可以自己標(biāo)定哈。
對(duì)于傳感器如果測(cè)量值與實(shí)際值之間存在固定的偏差時(shí)，通常的做法就是重新標(biāo)定，在測(cè)量值和實(shí)際值之間建立映射關(guān)系。對(duì)TOF相機(jī)而言可以把相機(jī)固定在導(dǎo)軌上，對(duì)著一堵白墻測(cè)距，把每一個(gè)像素點(diǎn)的測(cè)量值和白墻成像區(qū)域與相機(jī)之間的距離建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系，再根據(jù)這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，在測(cè)量值上進(jìn)行修正就可以獲得較為準(zhǔn)確的距離值。

如果這還不能解決，看看相機(jī)安裝是否有問題。
TOF相機(jī)是一種主動(dòng)測(cè)距方式，測(cè)量的準(zhǔn)度受很多因素干擾，其中安裝不合適的話有可能會(huì)引入多路徑等問題，導(dǎo)致測(cè)距準(zhǔn)度失真。

尤其是當(dāng)相機(jī)安裝在高反射率物體旁邊測(cè)量低反射率目標(biāo)物體時(shí)會(huì)表現(xiàn)的尤為突出。本來可能理想情況是按照藍(lán)色路徑進(jìn)行測(cè)距，但是墻面反射的光也會(huì)傳播到目標(biāo)物體上再經(jīng)過反射回到相機(jī)（綠色光路），甚至相機(jī)的照明光將旁邊的高反射率物體照亮直接進(jìn)入相機(jī)（紅色路徑），由于光學(xué)系統(tǒng)的不，形成眩光，干擾測(cè)距。

三、對(duì)運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)效果不好，什么辦？

提高幀率。
測(cè)量高速運(yùn)動(dòng)的物體當(dāng)然就得用高速相機(jī)了，但是通常的TOF相機(jī)的全像素送圖模式下的幀率不能達(dá)到很高，一般45FPS以下，這時(shí)候還有一個(gè)辦法提高幀率——減小數(shù)據(jù)量，減小數(shù)據(jù)傳輸和AD轉(zhuǎn)化的時(shí)間，提高幀率，可以只將感興趣的區(qū)域送出，也可以對(duì)原始的圖像進(jìn)行像素模擬信號(hào)合并或者降采樣。

四、太陽(yáng)光干擾就真的沒辦法解決了嗎？

減小陽(yáng)光干擾或者增加光信號(hào)強(qiáng)度。

太陽(yáng)光干擾的情況下，直接的就想辦法減小太陽(yáng)光的強(qiáng)度。一方面加鏡頭遮光罩，避免太陽(yáng)光直接入射到鏡頭產(chǎn)生眩光，影響測(cè)距。另一方面減小積分時(shí)間同時(shí)增加光功率，許多TOF相機(jī)外置曝光觸發(fā)，這時(shí)候可以將這些曝光觸發(fā)接口利用起來，配上功率較大的照明系統(tǒng)就能很好的解決。另外，因?yàn)樘?yáng)光的光譜很寬，而實(shí)際TOF使用的照明系統(tǒng)的光源通常是LED或者LD，他們的光譜寬度通常都不寬，LED一般50nm，而LD只有10nm以內(nèi)，因此如果廠家提供的鏡頭沒有加濾光片，用戶可以自己根據(jù)需要加一個(gè)濾光片以過濾太陽(yáng)光中絕大部分干擾光。

五、量程不夠怎么辦？

HDR，高動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量，長(zhǎng)短時(shí)間曝光的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。
短積分時(shí)間測(cè)量較近的區(qū)域，長(zhǎng)積分時(shí)間測(cè)量較遠(yuǎn)的區(qū)域，在整合較遠(yuǎn)和較近的測(cè)量空間，就可以既對(duì)近處的物體測(cè)距也可以對(duì)遠(yuǎn)處的物體進(jìn)行測(cè)量。

看完了這些你覺得你會(huì)TOF相機(jī)了嗎？其實(shí)很多時(shí)候我們說TOF各種各樣的問題，實(shí)際上是使用的方法不*正確罷了。好比單反，按快門很簡(jiǎn)單，但是加不加濾鏡，光圈和曝光選擇，焦距調(diào)節(jié)，構(gòu)圖等等學(xué)問多著呢。TOF相機(jī)，作為一種專業(yè)的成像儀器，其性能能否充分發(fā)揮很大程度上取決于用戶的操作技能?？赐炅粟s緊去試試吧。