深度感知是現實機器視覺應用中不可或缺的關鍵功能。安森美 (onsemi) 的Hyperlux ID 間接飛行時間 (iToF) 深度傳感器，憑借更少、更小、更簡單的器件，即可實現高精度深度感知。本系列文章將深度拆解安森美Hyperlux ID 技術及應用。

第一篇推文我們介紹了機器視覺基礎知識

本文將深入講解iToF 技術。

激光雷達和直接飛行時間

圖 1. 激光雷達傳感技術演示畫面。在右側“20 m”標注的左側位置，可觀測到一名行人產生的橙色反射信號。當行人向標有“40”的測距標識移動時，其反射信號將向圖表的右上方移動，且顏色會變為綠色，以表示距離正在增加。

如您所知，激光雷達是將雷達原理應用于光波領域的技術。它通過分析物體反射的光波波形，測量激光發射點與被測物體之間的深度和距離。在地質勘探和衛星遙感應用中，激光雷達通常依靠 GPS 來實現精確定位。該技術的工作原理與聲吶頗為相似：聲吶通過捕捉反射的聲波來測算發射器與物體的距離，而激光雷達則將激光脈沖與雷達原理相結合來完成測距。

圖 2.激光雷達測距原理示意圖

在各類激光雷達組件中，固態 SiPM 的功耗最低，同時還具備極強的抗電磁干擾與抗光學噪聲能力。即便是在 60 米外、反射率僅約 10% 的未授權移動物體，也能被它輕易識別;這一特性可為安防系統預留充足的響應時間，及時封鎖入口并發出警報。

圖 3. 摘自《參考太陽光譜輻照度標準表》(ASTM International)

上圖展示了太陽輻射在地球大氣層內(深色)與大氣層外(淺色)被探測到的光子相對數量。隨著波長增加，在近紅外 (NIR) 波段的 905 nm 與 940 nm 處，以及短波紅外 (SWIR) 波段的 1550 nm 處，光子數量均出現了斷崖式下降。太陽光中這些波段的光子占比極低，因此非常適合用于激光雷達。安森美大多數客戶的應用場景均集中在 905-940 nm 波段，該波段同時也是激光雷達高性價比組件的主要覆蓋區間。

當應用場景僅需通過光波判斷遠處是否存在物體時，單點深度感知方案具有顯著實用性與高效性。氣象學家或地質學家可能會關注激光雷達反射波的光譜分析能力，而在日常工業應用中，當系統僅需判斷前方有無物體這種二元狀態時，SiPM 無疑是光傳感器件的出色選擇。

Hyperlux ID 與間接飛行時間技術

圖4.安森美深度傳感器

基于 CMOS 的圖像傳感器在深度感知范圍上存在局限，其無歧義測距范圍在常規條件下受限于單次光調制周期。該上限閾值 Dmax 的計算公式如下：

其中，常數 c 代表光速，fm 代表調制光頻率。例如，如果傳感器采用 60 MHz 的單頻調制方案，其無歧義測距范圍上限僅為 2.5 米。

Hyperlux ID 專為工廠車間和包裝流水線等場景設計。在這類場景中，機器人系統需要精準測量機械臂與食品等易損物料表面之間的距離。

圖 5.iToF 深度測量原理流程

在上述應用環境中，采用間接飛行時間技術進行深度測量，會更簡便、更具實用性。與激光雷達類似，iToF 技術同樣會比較反射光與發射光，但區別在于，iToF 通過推導計算來獲取距離信息。

Hyperlux ID 以 940 nm 紅外激光二極管作為光源，借助全局快門技術，一次性完成所有入射光的采集。相較之下，卷簾快門的工作方式是自上而下逐行曝光傳感器，類似于傳統的機械焦平面快門。這種快門模式雖能滿足消費級數碼相機的使用需求，但即便是 iToF 技術，也無法完全彌補卷簾快門的性能缺陷。

Hyperlux ID 的全局快門技術支持同時完成八次曝光(兩種頻率各對應四個相位)，并將所有曝光數據整合存儲為單幀圖像。這樣可以幾乎完全消除運動引起的相位誤差。

圖 6.iToF 發射光與接收光相位差波形示意圖

當激光等恒定調制光源發出的光線經物體反射后，反射光與發射光之間會產生微小的相位差。傳感器通過相位差的大小來判斷物體的距離，但具體距離數值需要通過數學運算推導得出。具體而言，通過評估反射光在 0°、90°、180° 和 270° 四個象限邊緣處的波幅，計算出接收光波與調制光波之間的相位差。該相位差 ?Φ可通過以下雙參數反正切公式計算得出：

在相位差 ?Φ、激光調制頻率 fm 和光速 c 均為已知值的情況下，計算每個采樣點的距離 d 就會變得十分簡單，如下所示：

以上便是間接飛行時間技術從包含相位偏移的圖像數據中推導距離數據的方法。該技術之所以適用于深度感知應用，是因為其通過全局快門實現了相位數據的并行采集，而不是通過移動激光器進行串行掃描。不過，使用單個調制器時，iToF 技術僅適用于極短距離的測量。安森美通過一項名為智能 iToF 的創新專利技術，在一定程度上克服了這些限制。

Hyperlux ID 結合智能 iToF 技術如何攻克實際應用挑戰

Hyperlux ID 是一款基于 iToF 技術實現深度信息感知的圖像傳感器，因此屬于深度傳感器。與垂直腔面發射激光器 (VCSEL) 等主動照明系統相結合，Hyperlux ID 能夠同時計算 VCSEL 激光與自身發射光的反射光的相位偏移，并在該過程中對兩種光源的光強進行調制處理。

通過在單次曝光時間內切換兩種不同的頻率，傳感器的無歧義測距上限 Dmax 得以提升，其計算方式采用了更小的分母參數——具體而言，就是這兩種頻率的最大公約數 (GCD)：

圖 7.AF0130 傳感器室內 / 戶外深度測試圖

在安森美評估套件的測試中，AF0130 表現優異：在熒光燈照明的淺色中性色調走廊環境下，可清晰識別 30 米處反射率為 70% 的目標物體;在霧霾天氣的陰影環境中，即便光照強度高達 20,000 勒克斯，仍能清晰識別 20 米處的同規格目標物體。在偽彩色深度圖中，圖像的色彩與反射物體的大致距離相對應。

更精準的深度計算方案

AF0130 內置嵌入式深度處理 ASIC，可在片上處理所有深度感知運算。對于傾向于使用自研深度處理算法的客戶，安森美提供了 AF0131。其實時處理功能可讓深度數據即時投入應用，滿足機器人定位與運動控制、避障、安防預警和人體手勢識別等功能的需求。

為提高深度計算精度，智能 iToF 技術通過四幀獨立采集的圖像(每幀對應波形的一個 90 度相位)，估算每個像素的反射率。借助這些反射率數據，AF0130 能夠將四幀圖像的數據整合為一幀，生成深度圖。

圖 8. 左：單幀單色測試圖像。

右：基于四幀同步采集圖像生成的 0.2 米至 12.0 米深度圖

對于深度圖中的每個給定點，像素響應均與該給定點處物體的反射率相關，反射率 Rpix 可通過以下公式計算：

其中，ρ 代表像素反射率，D 代表圖像傳感器與該像素之間的距離，而 A 代表該點受到的環境光強度。物體的反射率反映了物體產生的光信號強度。可視化軟件能夠以顏色來表示相對深度——較近的物體位于光譜中偏向紅色的區域，較遠的物體則位于光譜另一端的藍紫色區域。

未完待續，后續推文將介紹強光環境下的高精度深度感知、消除運動偽影等。