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飛行時(shí)間系統(tǒng)設(shè)計(jì)—第1部分:系統(tǒng)概述

發(fā)布時(shí)間:2021-08-12 來源:Paul O''''Sullivan 和 Nicolas Le Dortz 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】這是飛行時(shí)間(ToF)系列中的第一篇文章,概述了連續(xù)波(CW) CMOS ToF相機(jī)系統(tǒng)技術(shù),以及該技術(shù)在機(jī)器視覺應(yīng)用中相對于傳統(tǒng)3D成像解決方案的優(yōu)勢。后續(xù)文章將詳細(xì)闡述本文中介紹的一些系統(tǒng)級組件,包括照明子系統(tǒng)、光學(xué)、電源管理和深度處理。
 
簡介
 
現(xiàn)在,許多機(jī)器視覺應(yīng)用需要高分辨率的3D深度圖像來替代或增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的2D圖成像。這類解決方案依靠3D相機(jī)來提供可靠的深度信息以保證安全性,尤其是當(dāng)機(jī)器在極其貼近人附近工作的時(shí)候。在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中工作時(shí),例如在具有高反射性表面的大空間中和有其他移動物體的環(huán)境中工作時(shí),相機(jī)還需要提供可靠的深度信息。目前的許多產(chǎn)品使用低分辨率測距儀類型解決方案來提供深度信息,以增強(qiáng)2D成像。但是,這種方法有很多限制。對于可從更高分辨率3D深度信息獲益的應(yīng)用,CW CMOS ToF相機(jī)提供了市場上最高性能的解決方案。表1更詳細(xì)地說明了由高分辨率CW ToF傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一些系統(tǒng)特性。這些系統(tǒng)特性還能運(yùn)用于消費(fèi)者使用場景,如視頻背景虛化、面部身份驗(yàn)證和測量應(yīng)用,以及汽車使用場景,如駕駛員狀態(tài)監(jiān)控和自動化艙內(nèi)配置。
 
表1.連續(xù)波飛行時(shí)間系統(tǒng)特性
飛行時(shí)間系統(tǒng)設(shè)計(jì)—第1部分:系統(tǒng)概述
 
連續(xù)波CMOS飛行時(shí)間相機(jī)概述
 
深度相機(jī)是指每個(gè)像素都會輸出相機(jī)與場景之間距離的相機(jī)。一種測量深度的技術(shù)是計(jì)算光從相機(jī)光源行進(jìn)到反射表面再返回相機(jī)所需的時(shí)間。此行程時(shí)間通常被稱為飛行時(shí)間(ToF)。
 
飛行時(shí)間系統(tǒng)設(shè)計(jì)—第1部分:系統(tǒng)概述
圖1.連續(xù)波飛行時(shí)間傳感器技術(shù)概要
 
ToF相機(jī)由多個(gè)元件組成(參見圖1),包括:
 
●    光源,例如垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)或邊緣發(fā)射激光二極管,其發(fā)射近紅外域的光。最常用的波長為850 nm和940 nm。光源通常是漫射源(泛光照明),其發(fā)出具有一定散度的光束(即照明區(qū)或FOI),以照射相機(jī)前方的場景。
●    激光驅(qū)動器,其調(diào)制光源發(fā)射的光的強(qiáng)度。
●    具有像素陣列的傳感器,其從場景中收集返回光線并輸出每個(gè)像素的值。
●    鏡頭,其將返回光線聚焦到傳感器陣列上。
●    帶通濾波器,其與鏡頭共置,用于濾除以光源波長為中心的窄帶寬之外的光線。
●    處理算法,其將傳感器輸出的原始幀轉(zhuǎn)換為深度圖像或點(diǎn)云。
 
人們可以使用多種方法來調(diào)制ToF相機(jī)中的光線。一種簡單辦法是使用連續(xù)波調(diào)制,例如50%占空比的方波調(diào)制。在實(shí)踐中,激光波形很少是完美的方波,看起來可能更靠近正弦波。對于給定光功率,方形激光波形可產(chǎn)生更好的信噪比,但高頻諧波的存在也會導(dǎo)致深度非線性誤差。
 
CW ToF相機(jī)通過估算發(fā)射信號與返回信號的基波之間的相移 ? = 2πftd 來測量這兩個(gè)信號之間的時(shí)間差td。深度可以利用相移 (?) 和光速(c)來估算,公式如下
 
飛行時(shí)間系統(tǒng)設(shè)計(jì)—第1部分:系統(tǒng)概述
 
其中fmod為調(diào)制頻率。
 
傳感器中的時(shí)鐘產(chǎn)生電路控制互補(bǔ)像素時(shí)鐘,而互補(bǔ)像素時(shí)鐘分別控制兩個(gè)電荷儲存元件(Tap A和Tap B)中的光電荷的累積,以及激光驅(qū)動器的激光調(diào)制信號。返回調(diào)制光的相位可以相對于像素時(shí)鐘的相位來測量(參見圖1右側(cè))。像素中的Tap A和Tap B之間的差分電荷與返回調(diào)制光的強(qiáng)度和返回調(diào)制光相對于像素時(shí)鐘的相位成比例。
 
利用零中頻檢測原理,使用像素時(shí)鐘和激光調(diào)制信號之間的多個(gè)相對相位進(jìn)行測量。組合這些測量結(jié)果即可確定返回調(diào)制光信號中的基波相位。知道該相位即可計(jì)算光從光源行進(jìn)到被觀察的物體再返回到傳感器像素所花的時(shí)間
 
高調(diào)制頻率的優(yōu)點(diǎn)
 
在實(shí)踐中,光子散粒噪聲、讀出電路噪聲、多路徑干擾等非理想因素會導(dǎo)致相位測量誤差。高調(diào)制頻率可降低這些誤差對深度估算的影響。
 
通過一個(gè)簡單例子就能輕松理解這一點(diǎn)。假設(shè)相位誤差為 ??,那么傳感器測得的相位為飛行時(shí)間系統(tǒng)設(shè)計(jì)—第1部分:系統(tǒng)概述 。深度誤差即為:
 
飛行時(shí)間系統(tǒng)設(shè)計(jì)—第1部分:系統(tǒng)概述
 
因此,深度誤差與調(diào)制頻率fmod成反比。圖2以圖形方式顯示了這一點(diǎn)。
 
這個(gè)簡單公式在很大程度上解釋了為什么高調(diào)制頻率的ToF相機(jī)與低調(diào)制頻率的ToF相機(jī)相比深度噪聲更低且深度誤差更小。
 
飛行時(shí)間系統(tǒng)設(shè)計(jì)—第1部分:系統(tǒng)概述
圖2.相位誤差對距離估計(jì)的影響
 
使用高調(diào)制頻率的一個(gè)缺點(diǎn)是相位環(huán)繞速度更快,這意味著可以準(zhǔn)確測量的距離更短。解決此限制的常見辦法是使用多個(gè)以不同速率環(huán)繞的調(diào)制頻率。最低調(diào)制頻率支持準(zhǔn)確測量較長距離,但深度誤差(噪聲、多路徑干擾等)也較大,串聯(lián)使用較高調(diào)制頻率可降低深度誤差。圖3顯示了一個(gè)使用三種不同調(diào)制頻率的示例方案。最終深度通過不同調(diào)制頻率的展開相位估計(jì)值加權(quán)來估算,為較高調(diào)制頻率分配較大的權(quán)重。
 
飛行時(shí)間系統(tǒng)設(shè)計(jì)—第1部分:系統(tǒng)概述
圖3.多頻相位展開
 
如果為每個(gè)頻率的權(quán)重選擇最優(yōu)值,則深度噪聲與系統(tǒng)中選擇的調(diào)制頻率的均方根(rms)成反比。對于恒定深度噪聲預(yù)算,提高調(diào)制頻率可以減少積分時(shí)間或照明功率。
 
對性能至關(guān)重要的其他系統(tǒng)方面
 
開發(fā)高性能ToF相機(jī)時(shí),有許多系統(tǒng)特征需要考慮,這里簡要介紹其中的一些特性。
 
圖像傳感器
 
圖像傳感器是ToF相機(jī)的關(guān)鍵組件。當(dāng)系統(tǒng)的平均調(diào)制頻率提高時(shí),大多數(shù)與深度估計(jì)相關(guān)的非理想因素(如偏置、深度噪聲和多路徑偽像)的影響會減小。因此,傳感器在高調(diào)制頻率(數(shù)百M(fèi)Hz)時(shí)須具有高解調(diào)對比度(區(qū)分Tap A和Tap B之間光電子的能力)。傳感器在近紅外波長(如850 nm和940 nm)還需要具有高量子效率(QE),從而降低在像素中產(chǎn)生光電子所需的光功率。最后,低讀數(shù)噪聲支持檢測較低返回信號(遠(yuǎn)處或低反射率物體),從而有助于提高相機(jī)的動態(tài)范圍。
 
光照度
 
激光驅(qū)動器以高調(diào)制頻率調(diào)制光源(例如VCSEL)。對于給定光功率,為使像素處的有用信號量最大化,光學(xué)波形需要具有快速上升和下降時(shí)間及干凈的邊沿。照明子系統(tǒng)中激光、激光驅(qū)動器和PCB布局的組合對于實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)至關(guān)重要。還需要進(jìn)行一些標(biāo)定工作以找到最佳光功率和占空比設(shè)置,從而使調(diào)制波形的傅立葉變換中的基波幅度最大化。最后,光功率還需要以安全方式傳輸,激光驅(qū)動器和系統(tǒng)層面應(yīng)內(nèi)置一些安全機(jī)制以確保始終符合第1類眼部安全限值。
 
光學(xué)元件
 
光學(xué)元件在ToF相機(jī)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。ToF相機(jī)有一些獨(dú)特的特性,因此其在光學(xué)方面有一些特殊要求。首先,光源的照明區(qū)域應(yīng)與鏡頭的視場角匹配以獲得最佳效率。鏡頭本身應(yīng)具有高孔徑(低f/#),以獲得更好的光收集效率,這一點(diǎn)也很重要。大孔徑可能導(dǎo)致需要權(quán)衡其他因素,如暗角、淺景深和鏡頭設(shè)計(jì)復(fù)雜度等。低主射線角的鏡頭設(shè)計(jì)也有助于減少帶通濾波器帶寬,從而改善環(huán)境光抑制,提高戶外性能。光學(xué)子系統(tǒng)還應(yīng)針對所需工作波長進(jìn)行優(yōu)化(如防反射涂層、帶通濾波器設(shè)計(jì)、鏡頭設(shè)計(jì)),以使吞吐效率最大而雜散光最小。還有許多機(jī)械要求,以確保光學(xué)對準(zhǔn)在最終應(yīng)用的期望容差范圍內(nèi)。
 
電源管理
 
電源管理在高性能3D ToF相機(jī)模塊設(shè)計(jì)中同樣至關(guān)重要。激光調(diào)制和像素調(diào)制產(chǎn)生短的高峰值電流突發(fā)脈沖,這給電源管理解決方案帶來了一些約束。傳感器集成電路(IC)的一些特性可以幫助降低成像器的峰值功耗。在系統(tǒng)層面還可以應(yīng)用電源管理技術(shù)來幫助降低對電源的要求(例如電池或USB)。ToF成像器的主要模擬電源通常需要一個(gè)具有良好瞬態(tài)響應(yīng)和低噪聲的穩(wěn)壓器。
 
飛行時(shí)間系統(tǒng)設(shè)計(jì)—第1部分:系統(tǒng)概述
圖4.光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)
 
深度處理算法
 
最后,系統(tǒng)級設(shè)計(jì)的另一重大部分是深度處理算法。ToF圖像傳感器輸出原始像素?cái)?shù)據(jù),需要從這些數(shù)據(jù)中提取相位信息。該操作需要多個(gè)步驟,包括噪聲濾波和相位展開。相位展開模塊的輸出是激光器發(fā)出的光行進(jìn)到場景再返回到像素的距離測量結(jié)果,常被稱為范圍或徑向距離。
 
徑向距離一般被轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云信息,代表特定像素的實(shí)際坐標(biāo)(X、Y、Z)信息。通常,最終應(yīng)用僅使用Z圖像映射(景深映射),而不是全部點(diǎn)云。將徑向距離轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云需要了解鏡頭內(nèi)在特性和失真參數(shù)。這些參數(shù)是在相機(jī)模塊的幾何校準(zhǔn)期間估算。深度處理算法還能輸出其他信息,例如有源亮度圖像(返回激光信號的幅度)、無源2D IR圖像和置信度,這些信息都可以在最終應(yīng)用中使用。深度處理可以在相機(jī)模塊本身中進(jìn)行,或系統(tǒng)中其他地方的主機(jī)處理器中進(jìn)行。
 
本文涉及的不同系統(tǒng)級組件概覽如表2所示。這些議題將在未來的文章中詳細(xì)討論。
 
表2.3D飛行時(shí)間相機(jī)的系統(tǒng)級組件
飛行時(shí)間系統(tǒng)設(shè)計(jì)—第1部分:系統(tǒng)概述
 
結(jié)論
 
連續(xù)波飛行時(shí)間相機(jī)是一種強(qiáng)大的解決方案,可為需要高質(zhì)量3D信息的應(yīng)用提供高深度精度。為確保實(shí)現(xiàn)最佳性能水平,有許多因素需要考慮。調(diào)制頻率、解調(diào)對比度、量子效率和讀數(shù)噪聲等因素決定了圖像傳感器的性能。其他因素是系統(tǒng)級考慮因素,包括照明子系統(tǒng)、光學(xué)設(shè)計(jì)、電源管理和深度處理算法。所有這些系統(tǒng)級組件對于實(shí)現(xiàn)最高精度3D ToF相機(jī)系統(tǒng)至關(guān)重要。后續(xù)文章會更詳細(xì)地討論這些系統(tǒng)級議題。
 
 
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