Depth Camera: Time of flight

本文深入探讨了Time of Flight (TOF) 技术在实现3D成像过程中的核心原理与优势,包括其照射单元、光学单元、TOF芯片、驱动电路、运算单元等方面的技术细节,以及与传统3D激光传感器的区别,重点阐述了TOF技术在体积小巧、高速处理、高效运算、精度稳定方面的显著优势。

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TOF是Time of flight的简写,直译为飞行时间的意思。所谓飞行时间法3D成像,是通过给目标连续发送光脉冲,然后用传感器接收从物体返回的光,通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。这种技术跟3D激光传感器原理基本类似,只不过3D激光传感器是逐点扫描,而TOF相机则是同时得到整幅图像的深度信息。TOF相机与普通机器视觉成像过程也有类似之处,都是由光源、光学部件、传感器、控制电路以及处理电路等几部单元组成。

照射单元
TOF技术采用主动光探测方式,与一般光照需求不一样的是,TOF照射单元的目的不是照明,而是利用入射光信号与反射光信号的变化来进行距离测量,所以,TOF的照射单元都是对光进行高频调制之后再进行发射,比如下图所示的采用LED或激光二极管发射的脉冲光,脉冲可达到100MHz。

光学单元
与普通相机类似,TOF相机芯片前端需要一个搜集光线的镜头。不过与普通光学镜头不同的是这里需要加一个带通滤光片来保证只有与照明光源波长相同的光才能进入。同时由于光学成像系统具有透视效果,不同距离的场景为各个不同直径的同心球面,而非平行平面,所以在实际使用时,需要后续处理单元对这个误差进行校正。

TOF芯片
作为TOF的相机的核心,TOF芯片每一个像元对入射光往返相机与物体之间的相位分别进行纪录。该传感器结构与普通图像传感器类似,但比图像传感器更复杂,它包含2个或者更多快门,用来在不同时间采样反射光线。因为这种原因,TOF芯片像素比一般图像传感器像素尺寸要大得多,一般100um左右。

驱动电路:
照射单元和TOF传感器都需要高速信号控制,这样才能达到高的深度测量精度。比如,照射光与TOF传感器之间同步信号发生10ps的偏移,就相当于1.5mm的位移。而当前的CPU 可到3GHz,相应得时钟周期是300ps,则相应得深度分辨率为45mm。

运算单元
运算单元主要是完成数据校正和计算工作,通过计算入射光与反射光相对相移关系,即可求取距离信息。

TOF的优势:

系统简单
与立体相机或三角测量系统比,TOF相机体积小巧,跟一般相机大小相去无几,非常适合于一些需要轻便、小体积相机的场合。
高速处理
TOF相机能够实时快速的计算深度信息,达到几十到100fps。TOF的深度信息。而双目立体相机需要用到复杂的相关性算法,处理速度较慢。
高效运算
TOF的深度计算不受物体表面灰度和特征影响,可以非常准确的进行三维探测。而双目立体相机则需要目标具有良好的特征变化,否则会无法进行深度计算。
精度稳定
TOF的深度计算精度不随距离改变而变化,基本能稳定在cm级,这对于一些大范围运动的应用场合非常有意义。

### 使用Camera2 API实现距离测量 在Android设备上利用`Camera2` API进行距离测量主要依赖于激光检测自动对焦(Laser Detection Autofocus, LDAF)或飞行时间(Time of Flight, ToF)传感器来获取物体的距离信息。然而,标准的`Camera2` API并不直接提供测距的功能接口;而是通过特定的能力和元数据属性间接支持这一特性。 对于具备`MANUAL_SENSOR`能力的相机设备而言,在调用`CameraCharacteristics.get(CameraCharacteristics.INFO_SUPPORTED_HARDWARE_LEVEL)`方法时返回的结果应该大于零[^3]。这意味着可以访问更底层的硬件特性,包括可能存在的ToF模块或其他形式的空间感知技术。 为了实现基于`Camera2` API的距离测量: 1. **确认设备支持情况** 需要先验证当前使用的安卓设备是否配备了能够执行精确测距任务所需的硬件组件。这可以通过查询`CameraManager`对象获得关于可用摄像头的信息列表,并检查其中是否有任何一项声明了必要的功能集。 2. **配置CaptureRequest** 如果目标设备确实拥有合适的硬件,则可以在构建用于拍摄照片或者视频帧的请求(`CaptureRequest`)之前设置某些参数以激活这些额外的功能。例如,针对具有ToF感应器的情况,可尝试调整`CONTROL_AF_MODE`至`CONTROL_AF_MODE_ACTIVE_SCAN`模式以便启动扫描过程[^4]。 3. **解析Metadata** 当接收到由`ImageReader`回调函数传回的数据包之后,从中提取出有关被摄物离镜头远近的相关数值。这部分工作通常涉及到读取内嵌于图像文件内的EXIF标签或是其他形式附带的元数据结构体。 需要注意的是,上述方案的有效性和准确性高度取决于具体机型及其制造商所提供的驱动程序版本等因素的影响。因此建议开发者参阅官方文档以及查阅所关注品牌的具体说明资料来进行更加详尽的研究与测试[^2]。 ```java // 获取CameraManager实例并枚举所有已安装的摄像单元 CameraManager manager = (CameraManager) context.getSystemService(Context.CAMERA_SERVICE); String[] cameraIds = manager.getCameraIdList(); for (String id : cameraIds){ CameraCharacteristics characteristics = manager.getCameraCharacteristics(id); // 检查是否存在ToFsensor或者其他可用于测距的技术特征 Boolean hasDepthSensor = characteristics.get(CameraCharacteristics.STATISTICS_INFO_AVAILABLE_DEPTH_STAGES)!=null; if(hasDepthSensor != null && hasDepthSensor){ Log.d("DistanceMeasurement", "Device supports depth sensing."); // 继续初始化camera session... } } ```
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