無(wú)人機(jī)或地面系統(tǒng)上的閃光激光雷達(dá)（也稱為ToF相機(jī)傳感器）具有許多強(qiáng)大的用途，包括物體掃描、測(cè)量距離、室內(nèi)導(dǎo)航、避障、手勢(shì)識(shí)別、跟蹤物體、測(cè)量體積、反應(yīng)式高度計(jì)、3D攝影、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲等。

什么是ToF相機(jī)傳感器？

飛行時(shí)間（ToF）是一種高精度的距離測(cè)繪和3D成像技術(shù)，其根據(jù)信號(hào)的發(fā)射與被物體反射后返回傳感器之間的時(shí)間差來(lái)測(cè)量傳感器與物體之間的距離——飛行時(shí)間3D深度傳感器發(fā)射一個(gè)很短的紅外光脈沖，然后相機(jī)傳感器的每個(gè)像素測(cè)量返回時(shí)間。

測(cè)距成像ToF相機(jī)是一種非常先進(jìn)的激光雷達(dá)系統(tǒng)，它用一個(gè)光脈沖或閃光來(lái)代替標(biāo)準(zhǔn)的逐點(diǎn)激光束，以實(shí)現(xiàn)完全的空間感知。該相機(jī)可以感知光線從任何周圍物體返回所需的時(shí)間，將其與視頻數(shù)據(jù)相結(jié)合，并創(chuàng)建實(shí)時(shí)3D圖像。還可用于跟蹤面部或手部動(dòng)作，繪制房間地圖，從圖像中移除背景，甚至在圖像中疊加3D對(duì)象。

ToF傳感器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

作為一種新興技術(shù)，ToF或3DFlashLIDAR與傳統(tǒng)的點(diǎn)（單像素）掃描儀相機(jī)和立體相機(jī)相比具有許多優(yōu)勢(shì)，包括：

簡(jiǎn)單

與立體視覺(jué)或三角測(cè)量系統(tǒng)相比，整個(gè)系統(tǒng)非常緊湊：照明僅放置在鏡頭旁邊，而其他系統(tǒng)則需要一定的最小基線。

與激光掃描系統(tǒng)相比，不需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件。

飛行時(shí)間相機(jī)的一大優(yōu)勢(shì)是能夠以一張鏡頭合成場(chǎng)景的3D圖像。其他3D視覺(jué)系統(tǒng)需要更多圖像和運(yùn)動(dòng)。

高效

從ToF傳感器的輸出信號(hào)中提取距離信息是直接的過(guò)程。結(jié)果，該任務(wù)僅使用少量的處理能力，而對(duì)于立體視覺(jué)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的相關(guān)算法，需要更多的能量和更多的處理能力。

提取距離數(shù)據(jù)后，物體檢測(cè)也是一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程，因?yàn)樗惴ú粫?huì)受到物體圖案的干擾。

速度

飛行時(shí)間3D攝像機(jī)可以單次測(cè)量整個(gè)場(chǎng)景中的距離。由于攝像頭每秒可達(dá)到160幀，因此非常適合在實(shí)時(shí)應(yīng)用中使用。

價(jià)錢

與其他3D深度范圍掃描技術(shù)（例如結(jié)構(gòu)化光相機(jī)/投影儀系統(tǒng)或激光測(cè)距儀）相比，ToF技術(shù)非常便宜。

ToF是被稱為范圍成像的少數(shù)技術(shù)之一。用于產(chǎn)生范圍圖像的傳感器設(shè)備有時(shí)被稱為范圍相機(jī)。其他的測(cè)距技術(shù)有立體三角測(cè)量、光片三角測(cè)量、結(jié)構(gòu)光、干涉測(cè)量和編碼光圈。

ToF相機(jī)傳感器技術(shù)與其他技術(shù)相比具有巨大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗軌蛟谝淮闻臄z中測(cè)量完整場(chǎng)景內(nèi)的距離。且ToFFlash激光雷達(dá)無(wú)需掃描儀，這意味著整個(gè)場(chǎng)景是通過(guò)單個(gè)光脈沖（閃光）捕獲的，而不是通過(guò)旋轉(zhuǎn)的激光束逐點(diǎn)捕獲。ToF相機(jī)使用專用的圖像傳感器可在三個(gè)維度上捕獲整個(gè)場(chǎng)景，因此無(wú)需移動(dòng)部件。

3DToF相機(jī)傳感器在無(wú)人機(jī)上的10大出色應(yīng)用

①、無(wú)人機(jī)ToF傳感器用于室內(nèi)導(dǎo)航

對(duì)于無(wú)人駕駛飛機(jī)甚至機(jī)器人，要在室內(nèi)成功安全地導(dǎo)航，都會(huì)帶來(lái)許多技術(shù)挑戰(zhàn)。在機(jī)器人制圖中，同時(shí)定位和制圖（SLAM）是在構(gòu)造或更新未知環(huán)境的地圖并同時(shí)跟蹤代理在其中的位置時(shí)所遇到的計(jì)算問(wèn)題。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，SLAM關(guān)心的問(wèn)題是，移動(dòng)機(jī)器人在構(gòu)建未知環(huán)境的地圖的同時(shí)使用地圖導(dǎo)航環(huán)境。

使用飛行時(shí)間深度感應(yīng)攝像頭的無(wú)人機(jī)ParrotARDrone通過(guò)其攝像頭在沒(méi)有GPS的情況下實(shí)現(xiàn)室內(nèi)飛行。其所使用的基本機(jī)制是在車輛下方的地面上拍攝兩張照片。然后將第二張照片與第一張照片進(jìn)行比較，并計(jì)算出偏移量。此偏移量指示車輛在兩張照片之間移動(dòng)了多少。

該技術(shù)與向下指向的飛行時(shí)間3D深度傳感器相結(jié)合，為室內(nèi)水平和垂直空間定位提供了一種非常準(zhǔn)確且低成本的機(jī)制。

②、無(wú)人機(jī)ToF傳感器用于3D形狀掃描

無(wú)人機(jī)目前已用于創(chuàng)建建筑物和紀(jì)念碑的精確3D模型。2015年，一架無(wú)人機(jī)在巴西成功創(chuàng)建了基督救世主雕像的3D圖像。在此之前，任何地方都沒(méi)有這個(gè)雕像的準(zhǔn)確模型。使用3D攝影測(cè)量基督救世主雕像，這意味著無(wú)人機(jī)必須在雕像周圍飛來(lái)飛去，拍攝數(shù)千張圖片，然后使用3D制圖軟件將它們縫合在一起。

其他3D形狀掃描技術(shù)使用專用且復(fù)雜的傳感器，例如結(jié)構(gòu)化的攝像頭/投影儀系統(tǒng)或激光測(cè)距儀。即使這些產(chǎn)生高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，它們也很昂貴并且經(jīng)常需要專家知識(shí)來(lái)進(jìn)行操作。

哈佛大學(xué)提出了一種使用ToF相機(jī)的極具成本效益的3D形狀掃描解決方案。現(xiàn)在，該解決方案是基于地面的。但是，當(dāng)安裝在無(wú)人機(jī)上時(shí)，此解決方案也將起作用。

隨著在這一領(lǐng)域的更多創(chuàng)新和投資，我們很可能會(huì)看到ToF相機(jī)成為掃描大型物體和紀(jì)念碑的經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。

③、無(wú)人機(jī)ToF傳感器用于農(nóng)業(yè)

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，裝有多光譜傳感器的無(wú)人機(jī)可以讓農(nóng)民更有效地管理作物和土壤。這些多光譜成像農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)使用綠波段、紅波段、紅邊波段和近紅外波段的遙感技術(shù)，拍攝農(nóng)作物和植被的可見(jiàn)和不可見(jiàn)圖像。

多光譜傳感器的數(shù)據(jù)對(duì)預(yù)防病害、蟲(chóng)害非常有用。它們還能極大地幫助農(nóng)民計(jì)算出正確的水、肥料和噴灑量。

ToF相機(jī)可以通過(guò)多種方式作為農(nóng)業(yè)多光譜解決方案的一部分。

ToF相機(jī)在快速測(cè)量體積方面表現(xiàn)出色。它們可以在一次拍攝中捕捉到完整的場(chǎng)景。ToF3D傳感器是測(cè)量作物密度和提供覆蓋物和糞便堆積量數(shù)據(jù)的理想選擇。

為了獲得農(nóng)作物的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，無(wú)人機(jī)飛行越穩(wěn)定，數(shù)據(jù)、圖像和膠片就越準(zhǔn)確。更平穩(wěn)的飛行可以改善數(shù)據(jù)采集過(guò)程，也有助于延長(zhǎng)飛行自主性。

TeraRangerOne等ToF傳感器可以作為一個(gè)非常精確的反應(yīng)式高度計(jì)。與視野非常狹窄的激光系統(tǒng)相比，當(dāng)無(wú)人機(jī)在地面和藤蔓上空交替飛行時(shí)，TeraRangerToF相機(jī)可以提供更平滑、更穩(wěn)定的相對(duì)高度。

④、無(wú)人機(jī)ToF傳感器用于測(cè)量體積

FlashlidarToF相機(jī)正被用于測(cè)量體積，如工廠或倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境中箱子的包裝空間。

飛行時(shí)間傳感器技術(shù)非常適合此應(yīng)用，主要有以下三個(gè)原因。與其他3D掃描技術(shù)（例如條紋圖案投影和3D激光位移傳感器）相比，它更具成本效益；與3D激光位移傳感器一樣，它不需要運(yùn)動(dòng)軸即可掃描盒子；它的運(yùn)行速度高達(dá)40每秒幀數(shù)，在包裝盒填充包裝材料時(shí)提供實(shí)時(shí)的體積測(cè)量。

在戶外，安裝有ToF相機(jī)的無(wú)人機(jī)或起重機(jī)能夠測(cè)量庫(kù)存或裝滿原材料的卡車的體積。安裝有ToF相機(jī)的無(wú)人機(jī)可以飛越全部或部分存儲(chǔ)區(qū)域，并快速計(jì)算出材料的沉積量或卡車的總負(fù)荷。

WhitakerContracting使用帶ToF相機(jī)的無(wú)人機(jī)測(cè)量他們的庫(kù)存，每年可節(jié)省22%的成本。他們節(jié)省了大量的成本，同時(shí)測(cè)量庫(kù)存的頻率也提高了2倍。現(xiàn)在測(cè)量庫(kù)存所花費(fèi)的時(shí)間比以前減少了75%。

⑤、無(wú)人機(jī)ToF傳感器用于防撞系統(tǒng)

2016年，我們首次開(kāi)始看到市場(chǎng)上出現(xiàn)了小型消費(fèi)和商業(yè)無(wú)人機(jī)，它們可以檢測(cè)障礙物。根據(jù)無(wú)人機(jī)、其傳感技術(shù)和軟件編程，無(wú)人機(jī)在檢測(cè)到物體時(shí)，可以采取停止和懸停的動(dòng)作，也可以繞著物體導(dǎo)航。

ToF相機(jī)的眾多功能之一就是用于避障和防撞。

在研究市場(chǎng)上一些最新的無(wú)人機(jī)時(shí)，我可以找到3款無(wú)人機(jī)，它們使用ToF進(jìn)行避障。其中一款無(wú)人機(jī)只使用ToF攝像頭來(lái)探測(cè)無(wú)人機(jī)上方的物體。另一款無(wú)人機(jī)則是使用ToF攝像頭與其他傳感器結(jié)合來(lái)避開(kāi)障礙物。

由于這是相當(dāng)新的技術(shù)，隨著更多的發(fā)展，相信未來(lái)我們會(huì)看到更多的無(wú)人機(jī)使用ToF閃光激光雷達(dá)相機(jī)傳感器進(jìn)行障礙物檢測(cè)。

⑥、無(wú)人機(jī)上的手勢(shì)識(shí)別ToF

一般來(lái)說(shuō)，“3D飛行時(shí)間”用途可分為“手勢(shì)”和“非手勢(shì)”兩類。手勢(shì)應(yīng)用程序強(qiáng)調(diào)人與人之間的互動(dòng)和速度。非手勢(shì)應(yīng)用則強(qiáng)調(diào)測(cè)量精度。

手勢(shì)應(yīng)用程序?qū)⑷祟惖膭?dòng)作（面部，手，手指或全身）轉(zhuǎn)換為符號(hào)指令，以命令游戲機(jī)，智能電視或便攜式計(jì)算設(shè)備。

例如，可以通過(guò)揮手來(lái)完成頻道沖浪，并且可以使用手指閃爍來(lái)滾動(dòng)演示。這些應(yīng)用通常需要快速的響應(yīng)時(shí)間，中低范圍，厘米級(jí)的精度和功耗。在微軟Kinect2使用時(shí)間-飛行傳感器的手勢(shì)交互。

市面上有不少無(wú)人機(jī)都有手勢(shì)模式，對(duì)于拍攝無(wú)人機(jī)自拍非常有用。大疆MavicPro和Phantom4Pro就使用了手勢(shì)模式。

大疆MavicAir采用先進(jìn)的手勢(shì)和人臉識(shí)別進(jìn)行飛行和拍攝。大疆并沒(méi)有給出太多關(guān)于他們手勢(shì)模式背后技術(shù)的細(xì)節(jié)。他們的許多自主飛行模式和避撞系統(tǒng)，結(jié)合了視覺(jué)和超聲波傳感器以及復(fù)雜的算法。

總的來(lái)說(shuō)，我們會(huì)看到更多的無(wú)人機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)，手勢(shì)模式和新的自主飛行模式，ToF也會(huì)發(fā)揮它的作用。

⑦、無(wú)人機(jī)ToF傳感器用于測(cè)量距離

飛行時(shí)間傳感器基于信號(hào)的發(fā)射與被物體反射后返回到傳感器之間的時(shí)間差，可以快速測(cè)量ToF傳感器與物體之間的距離。

應(yīng)用包括無(wú)人機(jī)的地面接近檢測(cè)、室內(nèi)無(wú)人機(jī)的天花板接近度檢測(cè)等。

⑧、無(wú)人機(jī)ToF傳感器用于倉(cāng)儲(chǔ)追蹤

ToF相機(jī)可用于物體掃描和體積計(jì)數(shù)，協(xié)助我們?yōu)閭}(cāng)儲(chǔ)提供無(wú)人機(jī)和解決方案。

比如ToF閃光激光雷達(dá)相機(jī)在Hardis集團(tuán)Eyesee無(wú)人機(jī)上的使用。

Eyesee無(wú)人機(jī)配備了機(jī)載攝像頭和室內(nèi)地理定位技術(shù)，使其能夠使用預(yù)先設(shè)定的飛行計(jì)劃進(jìn)行移動(dòng)，并捕捉存儲(chǔ)在倉(cāng)庫(kù)中的托盤的相關(guān)數(shù)據(jù)。

然后，無(wú)人機(jī)將捕捉到的圖像與其在倉(cāng)庫(kù)中的位置相關(guān)聯(lián)，并將其3D位置自動(dòng)轉(zhuǎn)化為物流地址（存儲(chǔ)位置）。

⑨、使用ToF3D深度相機(jī)的無(wú)人機(jī)攝影機(jī)

3D在電視和電影中變得非常流行。專業(yè)攝影師、電影制作人和消費(fèi)者都在尋找能夠生成3D內(nèi)容的相機(jī)，無(wú)論是視頻還是靜態(tài)照片。這種3D技術(shù)是基于ToF傳感器實(shí)現(xiàn)的。

與傳統(tǒng)相機(jī)不同的是，ToF相機(jī)不僅提供光強(qiáng)度圖像，而且還提供包含每個(gè)像素的距離測(cè)量的范圍圖，該范圍圖是通過(guò)測(cè)量光到達(dá)物體并返回相機(jī)所需的時(shí)間獲得的（飛行時(shí)間原理）。

無(wú)人機(jī)中的攝像頭在過(guò)去的幾年里有了很大的進(jìn)步。去年，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些配備4k攝像頭的無(wú)人機(jī)。還有2款帶變焦攝像頭的無(wú)人機(jī)。它們分別是WalkeraVoyager和大疆Inspire1無(wú)人機(jī)的ZenmuseZ3相機(jī)。

所以在不遠(yuǎn)的將來(lái)的某一天，我們可以期待在大多數(shù)無(wú)人機(jī)上看到3D攝影相機(jī)。

⑩、ToF傳感器在無(wú)人機(jī)及汽車中的創(chuàng)新應(yīng)用

汽車行業(yè)正在開(kāi)發(fā)多種系統(tǒng)，包括一些使用閃光激光雷達(dá)飛行時(shí)間傳感器的優(yōu)秀安全系統(tǒng)。

這也是為什么我相信無(wú)人機(jī)行業(yè)會(huì)跟進(jìn)，并開(kāi)始在飛行時(shí)間技術(shù)上投入更多的時(shí)間和資源。

以下是汽車行業(yè)使用ToF技術(shù)的一些創(chuàng)新。

駕駛員狀態(tài)監(jiān)測(cè)，如頭部位置檢測(cè)和睡意識(shí)別等。

乘客分類用于自主設(shè)置預(yù)先定義的乘客偏好、優(yōu)化的抬頭顯示可視化和優(yōu)化調(diào)整的安全氣囊部署力。

信息娛樂(lè)、導(dǎo)航和HVAC系統(tǒng)等的非接觸式手勢(shì)控制。

環(huán)繞視圖，用于復(fù)雜的停車輔助和障礙物檢測(cè)

例如，MLX75123Tof攝像頭傳感器是Melexis的全集成配套芯片。它完全適用于汽車和非汽車應(yīng)用，包括但不限于手勢(shì)識(shí)別、駕駛員監(jiān)控、骨骼跟蹤、人員或障礙物檢測(cè)和交通監(jiān)控。
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