3D-ToF技术介绍实用篇.pdf

3D-ToF技术介绍 3D Sensing Team 2018-09-19 2019-3-13 1 常用3D建模方法 接触式 接触式三维坐标测量机 超声波 非光学 核磁共振 简单投影 非接触式 结构光 规律编码 随机编码(散斑) 主动 双 目结构光 光学 ToF 基于相位差 基于移动多帧 单 目 基于对焦结果 被动 双 目视觉差 2019-3-13 2 ToF测距基本原理 ToF，即time of flight，不同于二维图像来推算三维信息，而是通过红外光在空气 中的飞行时间，计算出目标体的距离。三维ToF技术是机器视觉工业重要里程碑， 通过使用低成本CMOS像素面阵列和主动调制光源技术来提供三维场景的距离景 深信息。 不同于单点逐点扫描方式，而是每个像素都能测量对应 目标体的亮度和反射回来 的调制光的到达时间，从而计算出该点对应的距离景深。3D ToF提供了视角范围 内场景的整个分辨率的距离景深数据。该技术具有结构简单，容易使用，不依赖 环境光，高精度和高帧率的特点。 2019-3-13 3 ToF工作原理 -- 脉冲调制和连续调制波 三维 ToF 相机通过主动发射调制过的光源到目标面上，然后观察计算反射回来的对 应光。发射和反射光之间的相位差通过运算和转换得到距离/景深，如下图 所示。一 般来说，主动发射光源是 850nm/940nm 波长的固态激光管或者发光二极管 LED， 对人眼来说是不可见光 （可见光波长范围：400~700nm）。一个特制的成像传感器 用来接受同样频谱的光线，并且转换光子能量到电子电流。需要注意，光线进入该传 感器有一个环境光分量和反射光分量。距离 （景深）信息就存在反射光分量中。因此， 高环境光分量会降低测量的信噪比。 为了检测发射与反射光之间相位差，光源必须是脉冲或者连续调制波，一般是正弦波 或者方波。而方波会更常见，因为容易通过数字电路来实现。 2019-3-13 4 ToF工作原理 -- 脉冲调制 脉冲调制波方法是比较直接的。光源发射一段周期(∆t)，然后传感器每个像素采样反 射光能量，并行地，使用 2 个反相的计算窗口 C1，C2 和相同的∆t 时间。在采样时 间内像素点按窗口开启电荷累计，Q1 和Q2，然后测量出并且通过下面的公式 计算 每个像素点对应的距离： 脉