iPad首發(fā)DToF技術它將改變AR行業(yè)

?iPad首發(fā)DToF技術，它將改變AR行業(yè)？手機已經成為了人類器官的延伸。它拓展了我們信息獲取和處理的能力，它是我們的第二對耳朵、第二雙眼睛。但是在過去很長一段時間里，手機這雙“眼睛”看到的都是一個平面的世界，而3D視覺技術，可以很好的解決這個問題，讓手機從平面視覺到立體視覺，目前行業(yè)中三種主流的3D視覺方案為：雙目立體視覺方案、3D結構光方案、TOF方案，下面是3D視覺方案對比。

最近蘋果發(fā)布了新款iPadPro，最主要的硬件升級并非身后的“浴霸雙攝”，而是攝像頭旁搭載的dToF激光雷達，iPadPro因此成為了蘋果ToF技術的首發(fā)平臺。ToF技術中DTOF激光雷達更具優(yōu)勢iPadPro上所搭載的激光雷達（LightDetectionAndRanging）其實和手機上采用的ToF攝像頭都屬于雷達技術，以飛行時間距離（TimeofFlight，飛行時間）捕捉3D圖像。主要原理是利用雷達發(fā)射光波，光波遇到不可穿透物體會發(fā)生反射，通過記錄反射光到達接收器的時間，便能快速計算出光源與物體的距離，由此便得到一張被測物體的3D圖像。但是，不同的雷達發(fā)射的光波都不一樣，所獲得的圖像分辨率和清晰度也有差別。手機通常采用的ToF技術選用的雷達波長，發(fā)射的也屬于紅外面光源，接收到的是深度平面信息，成像精度有限，仍然無法捕捉高精度動3D圖像。而iPadPro選用的激光雷達，其發(fā)射的是脈沖紅外激光，接收單點位置，形成點云圖后再變成三維模型，精度更高?！鳷OF相機工作原理▲通過ToF獲得的物體距離和深度信息圖此外，激光雷達發(fā)射的光波存在兩種調制方式：直接飛行時間（Direct-ToF）測量和間接飛行時間（Indirect-ToF）測量，直接測距，是通過發(fā)射、接收光并測量光子飛行時間，直接計算確定距離，而非直接測距iToF，是通過測量發(fā)射波形和接收波形間的相位差來換算，從而確定距離，直接測距擁有響應快、功耗低等優(yōu)勢。dToF和iToF的區(qū)別

dToF和iToF的原理區(qū)別主要在于發(fā)射和反射光的區(qū)別。dToF的原理比較直接，即直接發(fā)射一個光脈沖，之后測量反射光脈沖和發(fā)射光脈沖之間的時間間隔，就可以得到光的飛行時間。而iToF的原理則要復雜一些。在iToF中，發(fā)射的并非一個光脈沖，而是調制過的光。接收到的反射調制光和發(fā)射的調制光之間存在一個相位差，通過檢測該相位差就能測量出飛行時間，從而估計出距離。

iToF的（indirecttimeofflight，間接ToF）技術。所謂間接ToF，并不是直接測量光發(fā)射返回的時間，而是根據相位偏移來間接計算距離。

眾所周知，光具有波粒二象性，也就是說我們可以通過發(fā)射光和返回光的相位偏差，和收發(fā)的時間進行函數運算，來獲得具體的距離。例如激光發(fā)射器可以發(fā)射850nm的調制紅外光，反射回來濾片過濾之后接收的自然也就是調制紅外光。具體計算方法比較復雜，這里就不進行闡述，但基本的測量指標只有幾個基本要件：光發(fā)射的振幅、頻率，而反射回來的光要經過四個快門的判定，以此來得出時延、衰減后的振幅以及強度偏移（環(huán)境光），最后就可以計算出相位偏移，而加上環(huán)境光影響的強度偏移，可以得出距離。

之所以iToF設立如此繁雜的機制，歸根結底是因為有利于小型化。如今的手機上的iToF的芯片像素可以小到5um，以此來實現(xiàn)較高的分辨率（現(xiàn)在可以做到640*480左右）。并且系統(tǒng)容易集成，不需要額外的測量電路。不過這種運算方式，需要高幀率圖像進行運算，功耗不小。

而相比之下，dToF的原理就簡單多了，和手機廠商一開始和我們“科普”的一樣。dToF只需要發(fā)射脈沖波，然后光反射回來被接收，只要計算光發(fā)射和返回的時間，自然就可以計算距離了。

在具體的實現(xiàn)上，dToF相較于iToF來說難度要大許多。dToF的難點在于要檢測的光信號是一個脈沖信號，因此檢測器對于光的敏感度比需要非常高。常見的dToF傳感器實現(xiàn)是使用SPAD（single-photonavalanchediode，單光子雪崩二極管）。此外，從讀出電路來看，dToF需要能分辨出非常精細的時間差（通常使用time-to-digitalconverter，TDC來實現(xiàn)）。例如如果需要實現(xiàn)1.5cm的測距精度，則TDC的分辨率需要達到10ps，這一點并不容易。以上關于dToF和iToF的對比是針對傳統(tǒng)的技術而言。隨著近幾年深度傳感器和LiDAR的發(fā)展，dToF也得到了長足的發(fā)展。從光傳感器像素來看，dToF目前也可以使用CMOS工藝實現(xiàn)，并且已經可以實現(xiàn)不錯的2D分辨率。5G加持下DToF增強AR體驗在5G時代到來之際，5G除了會帶來極高的網速之外，還會促進部分生態(tài)發(fā)展成熟，這其中就包括AR。從技術角度講，AR結合未來體感技術的加持，將為用戶打造“真實的虛擬世界”。而這，很可能將使AR在5G時代煥發(fā)出新的活力，成為5G時代的一個全新增長點。蘋果iPadPro用的就是DToF，而華為Mate30、vivoNEX等機型用的是iToF。DToF相比于iToF在性能上要好很多，但在生產工藝上也更復雜。由于采用DToF方法，iPadPro背部的激光雷達將能解決直接測距面臨的低時間分辨率難題，達ps（皮秒）級時間分辨率，精度也不會隨距離拉遠有大的衰減。iPadP