TOF--TOF相機技術原理深入解析與分享
TOF 介紹
TOF, 即 time of flight , 直譯過來就是飛行時間。 TOF 的原理與他的名稱對應，即，測量光在空間中飛行的時間，通過換算成距離，就可以測得攝像頭與物體的距離。通常， TOF 攝像頭組成有一個發射模組，一個接收模組。發射模組可以是 LED 、鐳射等發射元件，它將發射例如 850nm 的調製紅外光，物體經過反射後，由接收模組接收到反射的紅外光。由於發射和接收的都是調製波， TOF 攝像頭可以計算髮射和接收的相位差，通過換算得到深度值，即攝像頭與物體的深度距離。
TOF- 單點測距原理
一個簡易的單點 TOF 系統組成如下圖：
它由一個發射二極體、接收二極體、調製模組，解調模組、處理器幾部分組成。調製模組負責調製發射的紅外調變波，通過發射二極體將訊號發射出去；解調模組負責對接受二極體接收到的反射紅外波解調；處理器中包含 ADC 和資料處理， ADC 是為了將模擬訊號轉化為數字訊號，具體是什麼模擬訊號下文將會詳細講述；資料處理為了將測得的相位差換算成深度資訊。
TOF- 多點測距原理
目前，一個完整的 TOF 系統組成如下圖：
它和傳統 RGB 攝像頭的組成結構基本相似。
它與點單的 TOF 系統比較區別在於，測量範圍不是一個點，它是一個面，因此，接收模組變成了點陣的光敏感測器，通常使用的是 CMOS 感測器；在感測器前面、和發射二極體前面多了光學鏡片，一個是為了紅外波的輻射範圍、一個是為了濾除 850nm 以外的光線，就是說，要保證進入感測器的光線只是 850nm 的，這樣才能保證測量的準確度。
因為相位差即代表物體的與攝像頭的距離，即深度，由於每個點的相位差不同，所以才能組成有關物體整幅深度影象。
TOF 感測器工作原理
目前， TOF 感測器工作原理中主要有兩種，基於脈衝波（ paulse base ）的技術原理、基於連
續調製波（ CW ）的技術原理。
在這之前，需要知道解調模組是如何工作的，如何讀取感光感測器上面的電荷量。以單點畫素的讀取測量為例：
整個讀取測量過程主要分為 4 個步驟：
分別是， Reset;Integration;Readout;Deadtime
Reset： 在上圖中看到， Rst 開關，在測量電荷量之前，需要將 Rst 開關閉合，讓電容 CA 與 CB 充電，充好點之後斷開。
Integration ： Integration period ,DMIX0 和 DMIX1 是由解調模組控制的開關，什麼時候開關，與調製和解調的頻率有關。當光子被感光元件 ( 藍色圓圈箭頭 ) 接收時，並且當 DMIX0 閉合時，這時候，充好電的電容 CA 就會和感光元件釋放出來的電子中和，電容 CA 放電，直到中和完畢，最後得到的電容電平代表著接受光子數量和時間的電平。
Readout ： 中和完畢之後， Address Decode 開關開啟，讀取電容上的電平。
Deadtime ： 死區時間
從以上四個環節來看， Integration Time 是最重要的。
關於，為什麼還會有 DMIX1 ，下面將會解釋到。
基於脈衝波（ paulse base ）的技術原理
發射模組發射矩形脈衝波，物體發射後具有相位差的脈衝波，測量相位差的方法如下圖：
發射脈衝可以設定一個頻率 f ，並且開啟兩個反向的視窗， DMIX0 與 DMIX1 用來接收光子的數量， 一個視窗的頻率和相位是與發射脈衝是一致的，另外一個是與 DMIX1 反向，並且相位差為 180 。
在兩個視窗開啟的時候，也就是高電平的時候，並且這時候存在物體反射過來的脈衝波，這時候兩個不同視窗在各自的時間內收集電荷。在圖上已經用紅色上色表示。假設 DMIX0 收集到的電荷量為 Q0 ， DMIX1 收集到的電荷量為 Q1 。 Q0 與 Q1 相加的這部分就是有反射脈衝時間內收集的電荷量。
td 表示相位差存在的時間，為了計算 td ，可以通過計算 Q1 在反射脈衝所佔的時間，為了計算 Q1 這部分的時間，我們可以讀取 DMIX0 與 DMIX1 視窗上的電平，也就是 Q0 加 Q1 與 Q1 的比值，再乘上發射電平高電平的時間。因此，可以通過式子計算相位差 d ：
注：以上的整個過程稱為 IntegrationTime
基於連續調製波（ CW ）的技術原理
連續調製波在脈衝波的基礎上而來，連續調製波通常是連續正弦波調製，與脈衝不同的是，連續調製波開啟了 4 個視窗分別是 C1-C4. 如下圖所示。
由於連續調製波通常是連續正弦波調製，可以將調製波看成是正弦波如下圖所示。
連續正弦波調製測量方法，推導過程如下。序號 1-9 對應下圖的公式 1-8 。
1. 假設發射的正弦訊號 s(t) 振幅是 a ，調製頻率是 f
2. 經過時延 △ t 後接收到的訊號為接收 r(t) ，衰減後的振幅為 A ，強度偏移（由環境光引起）為 B
3. 四個取樣時間間隔相等，均為 T/4
4. 根據上述取樣時間可以列出四個方程組
5. 從而可以計算出發射和接收的正弦訊號的相位偏移 △ φ
6. 據此可以根據（ 6 ）中公式計算物體和深度相機的距離 d
7. 接收訊號的衰減後的振幅 A 的計算結果
8. 接收訊號強度偏移 B 的計算結果，反映了環境光
更加詳細的推導過程如下：
其實兩種基於不同原理的計算相位的方法差不多，連續調製波相對複雜。關於如何推到，更多的是數學的部分，最後計算 d 公式中，其實表示的含義是一樣的，只是符號不同罷了。
兩種基於不同測量方法的優缺點分析
基於脈衝波（ paulse base ）的技術原理
優點：
1. 因為不用計算振幅和環境光，測量方法簡單，響應較快，可以提高相機的幀率
缺點：
1. 由於沒有抵消環境光對測量的影響，所以將會受到環境光的影響
2. 相對於 CW 的方案，測量精度較低，但也不會低到離譜
基於連續調製波（ CW ）的技術原理
優點：
1. 相位偏移（公式 5 ）中的 (r2-r0) 和 (r1-r3) 相對於脈衝除錯法消除了由於測量器件或者環境光引起的固定偏差。連續調製波使用多個測量視窗， (Q 3 -Q 4 ) 及 (Q 1 -Q 2 ) 可以減掉測量中的共同成分（復位電壓，環境光，電容增益等）及其中的偏差。
2. 可以根據接收訊號的振幅 A 和強度偏移 B 來間接的估算深度測量結果的精確程度（方差）。
3. 不要求光源必須是短時高強度脈衝，可以採用不同型別的光源，運用不同的調製方法
缺點：
1. 需要多次取樣，測量時間較長，限制了相機的幀率
2. 因為採集和計算量大，導致在相同成本的產品中，深度解析度降低
參考文獻：
1. https://blog.csdn.net/electech6/article/details/78349107
2. TI documents