你真的會(huì )用TOF相機嗎？

       猶如單反相機需要解決很多問(wèn)題才能在特定的場(chǎng)景下用好。TOF相機作為專(zhuān)業(yè)的測距儀器，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(wèn)題才算是勉強入門(mén)。
 

       近年來(lái)，三維視覺(jué)成像越來(lái)越多的應用于醫學(xué)仿真，無(wú)人駕駛和目標跟蹤等領(lǐng)域。激光雷達因為具有高精度、測距范圍遠的優(yōu)勢，在無(wú)人駕駛技術(shù)出現之后，更是直接驅動(dòng)一批公司進(jìn)行各種各樣的激光雷達研發(fā)和生產(chǎn)。然而目前普遍存在激光雷達技術(shù)落地成本高昂，反饋幀率較低的問(wèn)題，導致部分應用都還處于實(shí)驗室階段。室內移動(dòng)機器人由于運行速度和所處場(chǎng)景與室外無(wú)人駕駛汽車(chē)不同，通常需要較高幀率和更高分辨率的激光雷達。因為多線(xiàn)激光雷達的成本原因，目前大多數室內移動(dòng)機器人采用單線(xiàn)激光雷達用于定位、導航、避障等等，但是由于天然的缺陷，單線(xiàn)激光雷達無(wú)法構建完備的深度場(chǎng)景。

       因此，另一種直接進(jìn)行深度成像的相機，包括雙目、結構光、光飛行時(shí)間等等成了更多項目的硬需求。

       光飛行時(shí)間法（TOF）深度相機是通過(guò)測量光從發(fā)出到經(jīng)過(guò)物體反射回相機的時(shí)間來(lái)測量物體到相機的間距。TOF相機采用直接的測量手段進(jìn)行深度成像，以小的計算資源獲得較佳的深度信息，以較高的幀率實(shí)現深度場(chǎng)景的構建。TOF深度相機按照其基本原理，和激光雷達一樣，也可分為脈沖TOF（P_TOF）和連續波調制TOF（CVM_TOF）。P_TOF發(fā)射光脈沖（一般為不可見(jiàn)光）到被觀(guān)測物體上，然后接收從物體反射回來(lái)的光脈沖，通過(guò)探測光脈沖的飛行（往返）時(shí)間來(lái)計算被測物體離相機的距離；CVM_TOF發(fā)出的是一束調制的連續光，通過(guò)測量光返回和傳輸的相位差反推光飛行時(shí)間進(jìn)行測距的。倘若想獲得準確的深度測量數據至少需要解決以下幾個(gè)問(wèn)題。
 

一、相機精度不夠，真的只是廠(chǎng)家的原因嗎？

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

TOF測距需要把光電模擬信號轉換成數字信號進(jìn)行處理，ADC過(guò)程中，模擬信號相當于在小分辨力上進(jìn)行了取整處理，這個(gè)過(guò)程必然會(huì )引入一部分噪聲。1.1V的模擬信號可能只能識別成1V的信號，誤差10%，模擬量10.1V的信號經(jīng)過(guò)AD之后可能只能識別成10V的信號，誤差1%，100.1V的信號識別成100V，誤差1‰。所以AD轉化過(guò)程在信號強度比較低的時(shí)候尤其會(huì )引入噪聲和誤差。另外，TOF相機的信噪比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，提高信號強度或許是一個(gè)有效的解決辦法。

而對于系統引入的噪聲，也不是沒(méi)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(lái)說(shuō)，信號強度越大測距精度越高（當然過(guò)曝除外），那么想要獲得較高的測距精度，首先就從信號強度下手。

同樣的道理，系統的噪聲在多次測量過(guò)程中會(huì )被平均掉，同樣也會(huì )對提高相機的測距精度有幫助。
 

二、測量準度不夠，什么原因？

可以自己標定哈。
對于傳感器如果測量值與實(shí)際值之間存在固定的偏差時(shí)，通常的做法就是重新標定，在測量值和實(shí)際值之間建立映射關(guān)系。對TOF相機而言可以把相機固定在導軌上，對著(zhù)一堵白墻測距，把每一個(gè)像素點(diǎn)的測量值和白墻成像區域與相機之間的距離建立起對應關(guān)系，再根據這種對應關(guān)系，在測量值上進(jìn)行修正就可以獲得較為準確的距離值。

如果這還不能解決，看看相機安裝是否有問(wèn)題。
TOF相機是一種主動(dòng)測距方式，測量的準度受很多因素干擾，其中安裝不合適的話(huà)有可能會(huì )引入多路徑等問(wèn)題，導致測距準度失真。

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

三、對運動(dòng)物體檢測效果不好，什么辦？

提高幀率。
測量高速運動(dòng)的物體當然就得用高速相機了，但是通常的TOF相機的全像素送圖模式下的幀率不能達到很高，一般45FPS以下，這時(shí)候還有一個(gè)辦法提高幀率——減小數據量，減小數據傳輸和AD轉化的時(shí)間，提高幀率，可以只將感興趣的區域送出，也可以對原始的圖像進(jìn)行像素模擬信號合并或者降采樣。

四、太陽(yáng)光干擾就真的沒(méi)辦法解決了嗎？

減小陽(yáng)光干擾或者增加光信號強度。

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(lái)，配上功率較大的照明系統就能很好的解決。另外，因為太陽(yáng)光的光譜很寬，而實(shí)際TOF使用的照明系統的光源通常是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?xún)?，因此如果廠(chǎng)家提供的鏡頭沒(méi)有加濾光片，用戶(hù)可以自己根據需要加一個(gè)濾光片以過(guò)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)范圍測量，長(cháng)短時(shí)間曝光的數據進(jìn)行融合。
短積分時(shí)間測量較近的區域，長(cháng)積分時(shí)間測量較遠的區域，在整合較遠和較近的測量空間，就可以既對近處的物體測距也可以對遠處的物體進(jìn)行測量。

看完了這些你覺(jué)得你會(huì )TOF相機了嗎？其實(shí)很多時(shí)候我們說(shuō)TOF各種各樣的問(wèn)題，實(shí)際上是使用的方法不*正確罷了。好比單反，按快門(mén)很簡(jiǎn)單，但是加不加濾鏡，光圈和曝光選擇，焦距調節，構圖等等學(xué)問(wèn)多著(zhù)呢。TOF相機，作為一種專(zhuān)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(hù)的操作技能?？赐炅粟s緊去試試吧。

本文屬于純原創(chuàng )文章，轉載請注明杭州藍芯科技有限公司