導讀

傳統(tǒng)工業(yè)3D視覺深陷兩難困局：要么高價換取高性能，要么犧牲精度以控制成本。智能iToF技術(shù)的崛起成功打破了這一局面。它通過片上深度處理、全局快門與高頻調(diào)制等創(chuàng)新，在維持成本優(yōu)勢的同時，實現(xiàn)了高分辨率、復雜光照穩(wěn)定性與動態(tài)物體精準捕捉。這不僅填補了市場空白，更以其易用、緊湊和可靠的特性，正崛起為苛刻工業(yè)應(yīng)用中傳統(tǒng)3D方案的強勁替代者。

一、現(xiàn)代iToF技術(shù)讓3D圖像處理動起來

并非每款應(yīng)用都需要高端系統(tǒng)—但品質(zhì)不應(yīng)因此妥協(xié)。迄今為止，工業(yè)3D圖像處理僅有兩種選擇：要么性能強大但價格昂貴，要么價格低廉但需在分辨率和圖像質(zhì)量上做出妥協(xié)。然而，新型高集成度iToF傳感器憑借其高分辨率和集成實時數(shù)據(jù)處理功能，為注重成本的應(yīng)用場景提供了快速、易用的精準3D技術(shù)解決方案。這是否不僅是填補市場空白的一種解決方案，更有望成為注重成本但要求嚴苛的3D應(yīng)用的首選？

場景與物體的三維捕捉是現(xiàn)代工業(yè)自動化中的核心組成部分?；趫D案投影的主動立體視覺等方法已被證明特別有效—尤其在需要最大細節(jié)、分辨率以及處理復雜表面結(jié)構(gòu)時?；谕队暗膱D像相關(guān)技術(shù)，此類系統(tǒng)即使在復雜表面上也能捕捉大量可靠圖像點，從而實現(xiàn)精確三角測量和生成詳細深度圖。這意味著您始終處于基于圖像的測量技術(shù)的前沿。

與此同時，飛行時間技術(shù)在近年經(jīng)歷了顯著的成熟進程。雖然飛行時間（ToF）相機此前主要用于簡單的距離測量，但由于其分辨率、測量范圍或集成能力有限，在許多工業(yè)應(yīng)用中僅能發(fā)揮有限的作用。有限的探測范圍、較低的分辨率、對環(huán)境光的高敏感度以及無法準確檢測移動物體的深度，這些因素顯著限制了其實際應(yīng)用。

二、3D入門級相機，集成深度處理功能

隨著更強大的傳感器架構(gòu)的出現(xiàn)，例如onsem推出的新型AF0130 iToF傳感器，其采用背照式像素（BSI技術(shù)）、全局快門、改進的信號處理以及集成評估電子元件，使得情況發(fā)生了顯著變化。新型iToF相機搭載智能像素管理技術(shù)，不僅實現(xiàn)了更高的深度分辨率和更遠的探測距離，更能從容應(yīng)對復雜光照環(huán)境。

與此同時，系統(tǒng)邏輯正在發(fā)生轉(zhuǎn)變：傳感器不再將原始數(shù)據(jù)發(fā)送至外部計算機，而是直接在芯片上執(zhí)行關(guān)鍵處理步驟—例如計算深度圖像、強度值和置信度圖。這種在傳感器端實現(xiàn)高度集成的3D處理趨勢，不僅使ToF相機在當今更加強大，還顯著簡化了集成過程—這是邁向智能緊湊型3D視覺系統(tǒng)、實現(xiàn)廣泛工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵一步。

三、分辨率與深度的精準度

三維測量的質(zhì)量不僅取決于捕獲的像素數(shù)量，更關(guān)鍵的是深度數(shù)據(jù)的精度。友思特合作伙伴IDS的新型3D相機采用onsemi120萬像素AF0130傳感器，提供高XY分辨率，可完美掃描大面積區(qū)域內(nèi)的精細表面細節(jié)。

然而，另一個因素對實際深度精度至關(guān)重要：光信號的調(diào)制頻率，它在很大程度上決定了基于相位的飛行時間系統(tǒng)的精度和測量范圍。與市面上的標準相機相比，onsemi可實現(xiàn)高達200 MHz的頻率—這無疑具有顯著優(yōu)勢。這是因為測量范圍被劃分為更小的區(qū)間，從而獲得了更高的深度分辨率。簡而言之：頻率越高，相機就越能精確地檢測相位位置的差異，從而更準確地測量微小的距離變化。

即使是最精細的1毫米結(jié)構(gòu)，也能被IDS Nion 3D相機精準解析

另一個優(yōu)勢：在高頻條件下，該系統(tǒng)對環(huán)境光干擾的敏感度降低—這對許多戶外工業(yè)應(yīng)用或光照條件快速變化的場景至關(guān)重要。onsemi的AF0130器件實現(xiàn)了高達200 MHz的調(diào)制能力，由此創(chuàng)造了顯著的技術(shù)空間。在近距離情況下，高頻可確保最高精度。另一方面，在遠距離區(qū)域，頻率可進行專門調(diào)整，以實現(xiàn)具有穩(wěn)定深度分辨率的長距離探測。這種可擴展性使系統(tǒng)更具靈活性—相較于采用固定且通常較低調(diào)制頻率的傳統(tǒng)飛行時間傳感器，這構(gòu)成顯著優(yōu)勢。

四、在復雜光照條件下仍能保持高圖像質(zhì)量

新推出的onsemi傳感器另一項應(yīng)用相關(guān)特性是其在940納米近紅外波段的高靈敏度—該波長范圍相較于850納米等波段，受日光干擾顯著較小。友思特合作伙伴IDS使用的iToF相機正是利用了這一特性，配合調(diào)諧至940納米的激光器工作。結(jié)果：即使在復雜的光照條件下，也能實現(xiàn)特別高的干擾光抑制和穩(wěn)定的3D測量。這使得該相機非常適合戶外應(yīng)用場景，在過去，直射或變化的陽光常常是戶外拍攝面臨的難題。

光學技術(shù)在此發(fā)揮著關(guān)鍵作用，確保3D相機能夠充分發(fā)揮其潛力。必須使用經(jīng)過專門優(yōu)化以適應(yīng)相機波長范圍的鏡頭。這是確保即使在戶外等復雜光照條件下，光輸出和圖像質(zhì)量仍能保持穩(wěn)定高水平的唯一途徑。此外，非球面鏡片可確保整個成像區(qū)域的銳度均勻，并減少光學畸變，從而顯著提升圖像質(zhì)量，同時省去了耗時的后期校正步驟。為滿足近距離與遠距離的多元工業(yè)應(yīng)用需求，鏡頭設(shè)計必須確保從近距離到遠距離都能提供穩(wěn)定的清晰度—無需重新對焦。

五、挑戰(zhàn)—移動物體的3D數(shù)據(jù)

可靠捕捉動態(tài)場景的能力正日益成為工業(yè)3D相機應(yīng)用的關(guān)鍵標準。這正是許多傳統(tǒng)技術(shù)迄今為止所達到的極限所在。特別是在結(jié)構(gòu)光方法或基于立體視覺的系統(tǒng)中，運動可能導致偽影或測量誤差—例如通過多重曝光、圖像模糊或圖像對相關(guān)性錯誤。對于許多涉及動態(tài)過程、快速移動物體或傳送帶速度的應(yīng)用場景而言，這意味著要么忍受功能限制，要么依賴復雜且昂貴的專用解決方案。

旋轉(zhuǎn)的140毫米風扇輪的3D點云（左）、深度圖像（中）和強度圖像（右），拍攝距離為40厘米，轉(zhuǎn)速為400轉(zhuǎn)/分鐘。

具備集成數(shù)據(jù)處理和全局快門功能的3D相機，為該領(lǐng)域帶來了根本性的范式轉(zhuǎn)變。由于深度信息是直接在設(shè)備上按像素進行采集并實時評估的，因此數(shù)據(jù)傳輸至PC后，許多關(guān)鍵的運動處理步驟已不再必要?，F(xiàn)代傳感器如AF0130，即使面對移動物體也能實現(xiàn)無縫3D檢測，且不會影響檢測精度或響應(yīng)速度。這對于機器人技術(shù)、物流、包裝以及持續(xù)生產(chǎn)中的質(zhì)量保證等應(yīng)用尤為有益。

無需停止傳送帶或機器人，生產(chǎn)流程便能以更快的速度和更高的效率運行，從而提升生產(chǎn)效率。 要計算單個深度值，通常需要四個不同相位位置（通常為0°、90°、180°和270°）的協(xié)調(diào)曝光。這四個信號隨后被用于計算相位差—從而測得距離。得益于其特殊的像素架構(gòu)和集成式片上處理，AF0130 iToF傳感器能夠快速連續(xù)捕獲全部四個相位圖像，并將其直接完整地存儲在芯片內(nèi)存中—無需任何中間讀出過程。這顯著縮短了兩次曝光之間的時間，并明顯減少了運動模糊。連續(xù)閱讀的另一個優(yōu)勢：深度信息可高效重新排序并直接進行后續(xù)處理—無需耗時的后處理。這不僅使相機更抗震動，還能實現(xiàn)更高的幀率并減輕主機系統(tǒng)的負載。這具有決定性優(yōu)勢，尤其在機器人技術(shù)、物流或拾取放置等動態(tài)應(yīng)用中。

onsemi傳感器的Hyperlux技術(shù)能夠?qū)⑾辔粓D像快速采樣至內(nèi)部存儲器，并實現(xiàn)完整讀出，從而在運動過程中減少運動偽影.（圖像來源：onsemi）

六、智能iToF:一項有望引領(lǐng)市場的技術(shù)組件

憑借Hyperlux傳感器，onsemi在iToF技術(shù)發(fā)展中取得了重大里程碑。全球快門、內(nèi)部存儲器與片上深度處理技術(shù)的集成，有效解決了傳統(tǒng)飛行時間系統(tǒng)的核心難題，例如探測距離受限、環(huán)境光敏感性及系統(tǒng)級延遲等問題。這使得iToF技術(shù)對那些此前依賴其他3D技術(shù)的應(yīng)用場景具有吸引力。然而，僅憑強大的傳感器還不足以打造出樹立行業(yè)標桿的相機解決方案。決定性因素在于光學、電子、軟件與系統(tǒng)集成之間的協(xié)同互動。

因此，onsemi特別注重與經(jīng)驗豐富的相機制造商開展緊密合作—例如友思特合作伙伴IDS，該公司在工業(yè)3D相機市場深耕多年。由此誕生的uEye 3D相機，生動詮釋了智能iToF技術(shù)如何轉(zhuǎn)化為實用的整體系統(tǒng)。因此，iToF正日益從工業(yè)3D圖像處理領(lǐng)域的補充方案，轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾奶娲桨浮绕洚斝枰子眯?、高集成能力和在多變操作條件下穩(wěn)定的成像結(jié)果時。

友思特uEye Nion系列3D相機

uEye Nion 適用于各種環(huán)境的 120 萬像素 3D 攝像頭

卓越的深度感知性能：采用先進的1.2MP Tof 傳感器，即使在動態(tài)環(huán)境或強烈日光下也能提供高精度、實時的3D深度數(shù)據(jù)

憑借120萬像素，其空間分辨率達到市場常見VGA ToF相機的四倍，能清晰捕捉精細結(jié)構(gòu)和物體邊緣

無論是精細結(jié)構(gòu)成像還是經(jīng)濟高效的 3D 數(shù)據(jù)采集，Nion 都是兼具高細節(jié)和可靠深度數(shù)據(jù)的應(yīng)用的理想之選

審核編輯 黃宇