TOF相机简介

分析2D图像在机器视觉应用中非常有用，但有时，创建物体的3D图像是有必要的，如机器人，物流应用或自动驾驶车辆等领域。

可以提供3D图像信息的成像技术有很多，这些3D图像信息可以用于机器视觉应用。 其中激光扫描技术使用投射的光线到表面上来获取3D信息，通过移动的激光线扫，一台标准的2D摄像机通过拍摄物体的许多线扫图像来得到3D信息。

其他技术还有如双目立体视觉，结构光和飞行时间ToF，他们不需要扫描物体。

本文将介绍飞行时间技术的基本工作原理，简称：ToF ，内容覆盖优点，缺点和ToF在机器视觉领域的应用。

组成

ToF是一种快速，易于安装，更简单且成本效益高的技术
ToF相机由以下主要部件组成：

• 一个镜头
• 一个集成光源
• 一个存储所有捕获图像信息的传感器
• 一个接口

这个系统能够捕获深度和强度信息，同时处理图像中的每个像素，这些相机在机器视觉应用中具有巨大的潜力，

深度信息与强度和物体颜色无关，您可以用相对简单的算法将物体从背景中分离出来，此外其紧凑的结构，使用方便，高精度（约1cm）和高帧率，使得ToF相机成为广泛应用的解决方案。

原理

tof脉冲.png

一个TOF相机的工作原理，首先用脉冲或连续波光源照亮场景，然后接收反射光，TOF相机基于脉冲光源原理，测量光脉冲从发射器到达现场所需的时间，然后反射回来。由于光的速度是已知的，所以通过使用基本的数学方法来计算所有的距离。

然后可以确定物体表面上的点，使用连续波的飞行时间检测反射光的相移，调制创建一个确定频率的正弦频率光，检测器确定反射光的相移，再次通过简单的数学计算，可以轻松计算场景中每个点的深度信息。

无论您使用什么提供的光源调制技术，照亮整个场景可以确定所有的景深。出来的结果是一个范围图，其中每个像素编码对应到实际场景中离相机的距离。

那么ToF的结果图像是什么样的？ 如下

tof深度信息图.png

此示例将深度信息显示为伪彩色图像，蓝色代表最远，红色代表很接近。 由于ToF相机在获取深度信息的同时，并行地捕捉正常的2D强度图像，我们可以合并2D强度信息创建一个有纹理的3D图形。

优势

3d测量技术对比.png

与其他3D测量技术相比，ToF具有如下优点

• 高分辨率
• 实时性好
• 低照度环境效果好
• 成本适中

劣势

尽管有这些优点，它还是有一些限制。

• 杂散光
  散射光主要是由于不需要的反射光，
  镜头表面比较明亮，加上它非常靠近相机，很多光线会散射到镜头中。

• 多次反射光
  ToF距离测量需要仅反射一次的光线，多次反射的光线会扭曲测量结果，多次反射通常由角落和凹面形状产生。

• 环境光
  环境光如阳光等使室外使用变得困难，高强度的日光导致传感器像素的快速饱和，无法检测到来自光源的实际反射光。

• 多台相机
  多台相机可能会影响测量结果,因为它们各自的光源会互相干扰。

• 品牌差异
  制造商品牌不同，ToF相机的工作距离可能会有很大差异。

• 精度
  在最佳设置下，相机的深度精度仍然只有1厘米左右。 但即使如此，没有更快的方式来捕捉3D信息。

应用

• 在物流领域，ToF相机可用于包装协助，盒子填充，堆叠，体积扫描或贴标签。

• 在机器人和工厂自动化领域中，ToF摄像机用于查找，拾取或安装物体。他们很容易检测到损坏的物体或堆垛层错

• 在医疗领域，ToF相机在患者监护和患者定位方面发挥着重要作用。

• 在自动驾驶车辆领域，这些摄像头是导航和安全警告的重要工具。

这些应用证明了TOF技术正在发生革命性的变化，机器视觉行业中，3D信息技术方案是有潜力广泛应用的解决方案。