ToF摄像机的应用与优势

在获取深度数据及测量距离方面，ToF（Time-of-Flight）是一项非常高效的技术。ToF摄像机为每个像素提供两种信息：亮度值（灰度值），以及芯片与被测物体之间的距离（即深度值）。ToF（Time-of-Flight）可进一步分为两种不同类型：连续波和脉冲ToF。脉冲ToF根据光脉冲的传播时间来测量距离，因此它需要配合非常快速、精准的电子元件。目前，该技术能够在合理的成本范围内生成精确的光脉冲，并进行精准测量。相比连续波的工作过程，这种技术所需的芯片要以更高的分辨率进行工作，由于它的像素较小，因此能够更高效地利用芯片。其工作原理为集成光源发出的光脉冲会在照射物体后反射回摄像机；然后，根据光线再次到达芯片前的传播时间计算出距离，从而得出每个像素的深度值。这项技术可以轻松实时生成点云，同时还可以提供强度和置信图。ToF 适用于物流和生产环境中，可以执行体积测量、堆垛和自动驾驶车辆的任务。ToF 还可以在医疗领域帮助进行定位和监测患者，以及在工厂自动化中执行机器人控制和箱子抓取任务。

Kinect V2 是采用飞行时间（ToF）的方式的摄像机，如图8.3所示。其根据红外线反射后返回的时间来取得深度信息，以此来判断物体的方位。但由于光速太快，很难通过时间差精确计算深度值，因此，采用另一种方法，即发射一道强弱随时间变化的正弦光束，根据往返红外正弦光束相位差值求得像素深度值。以上两种技术均是利用红外线对空间深度信息的获取，因此无论环境光线、物体颜色如何变化，测量结果都不会受到干扰。表8.3 为Kinect V1 和Kinect V2 的技术参数比较。

图8.3　Kinect V2

表8.3　Kinect V1 和Kinect V2 的技术参数比较

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Kinect V2 采用ToF 测距，利用方波调制摄像机光源，光源的平均频率为80 MHz，通过相位检测来得到发射光和经过物体反射后的光的相位偏移和衰减，从而计算光从光源到物体表面然后再回到传感器的总的飞行时间，根据光的往返飞行时间进而可以求得物体到传感器的距离。具体表达式为

其中，d 为深度；phase 是调制信号相位偏移；c 为光速，光在空中的飞行速度约为c= 3 ×108 m/s；f 为传感器的调制频率。

公开的数据集Multi-Instance 3D Object Detection and Pose Estimation 的部分截图如图8.4所示。

图8.4　数据集Multi-Instance 3D Object Detection and Pose Estimation 的部分截图