【導讀】視頻技術的問世掀起了一場席卷全球的視聽通信革命。今天，整個世界都非常依賴照片和視頻媒體來實現各種目的，包括商業
、通信、教育和娛樂。采集和顯示視頻的機製也突飛猛進。而3D攝像頭的采用，使用戶可以以前所未有的信息量觀察事物。

這個過程所不可或缺的一環，就是給數字視頻添加深度信息

，使其更接近真實。本文探討了如何使用飛行時間（ToF）傳感器實現此目的，以及ToF傳感器正在如何改變我們與VR和其他視頻技術的交互方式。

ToF 3D圖像傳感器簡介

總的來說，飛行時間（或 ToF）是一種基於光的飛行時間測量物體距離的方法。ToF傳chuan感gan器qi或huo攝she像xiang頭tou會hui發fa射she調tiao製zhi紅hong外wai光guang束shu
，並bing測ce量liang從cong不bu同tong距ju離li的de不bu同tong表biao麵mian接jie收shou到dao的de光guang的de相xiang位wei差cha。該gai數shu據ju被bei轉zhuan換huan為wei距ju離li，並bing為wei照zhao明ming場chang景jing提ti供gong深shen度du。ToF傳感器使用逐像素處理，這需要複雜的算法

，但由於其廣泛的適用性
，愈發受到物流、汽車和消費電子領域的親睞。通過在三個維度上進行掃描，ToF傳感器可以創建目標對象的 3D 圖像。

ToF傳感器工作原理

3D ToF圖像傳感器的操作非常簡單。它根據光子混合器設備（PMD）的原理進行檢測。ToF傳感器主要分為兩類：直接傳感器和間接傳感器。直接ToF傳感器的工作原理是通過發射光、收集反射信號
，然後測量信號延遲[圖1]；接著，用光飛行時間來測量距離
，從而實現場景的3D重建。

圖1  直接ToF傳感器的工作原理（簡版）（圖源：作者）

間接ToFchuanganqidegongzuoyuanlishi，buduanfashetiaozhixinhaobingfenxifanshexinhao
，yiquedingxiangweicha。lianggejieshouqiyitiaozhiguangdepinlvbuduandidakaiheguanbi
，qizhongyigejieshouqiyulingyigejieshouqidecaozuoxiangweibutong。yinci，meigejieshouqidouhuishoudaobufenfanshexinhao，binggenjujieshoudaodeguangdeshuliang，laiquedingxiangweicha，rutu 2 所示。

圖2 兩個檢測器交替收集感興趣物體的光（圖源：作者）

優勢及應用

ToF傳感器可以在不影響圖像分辨率的情況下，擴大測量範圍，並在低成本
、可靠和緊湊的封裝中提供全部數字細節，這為3D增強型攝影提供了優化解決方案。最新的ToF傳感器功耗較低，對移動設備來說
，是一個具有吸引力的選擇。此外，與結構光發射等技術相比，ToF傳感器對精確的機械對準的依賴程度較低。新型ToF傳感器允許使用更高的調製頻率
，因此，顯著提高了精度。

Stratview Research的數據顯示，從2021到2026年，ToF的年增長率有望達到16.8%（1）。ToF攝像頭的應用主要集中在消費電子行業和物流行業的3D成像和掃描。它有望通過以低成本提供豐富的3D視覺效果來徹底革新3D檢測和成像。

ToF傳感器可以用於輔助麵部識別
、安全跟蹤、庫存管理，以及環境和建築物映射等應用。在現代車輛中，ToF傳感器可實現近距離環境映射
、輔助泊車以及車內的許多其他功能，例如：駕駛員監控或手勢控製。不過
，最有趣的應用要數消費電子和混合現實。憑借小巧的外形和較高的能效，ToF傳感器可能是唯一一項準備進軍消費電子領域的3D成像技術。

案例研究：增強AR/ MR體驗

將3D ToF傳感器整合到消費電子領域
，仍是一個尚未開發的市場，具有顛覆性的意義。Counterpoint Research稱，在智能手機中整合ToF攝像頭

，有望成為未來的主要趨勢之一（2）。在最近的一場網絡研討會上
，來自TECNO、三星和DXOMARK Image Labs的專家聲稱，ToF和動態視覺傳感器（DVS）等功能可以使手機攝像頭的性能勝過數碼單反相機（DSLR）（3）。在過去，智能手機和遊戲設備將3D ToF攝像頭用於高度逼真的增強顯示/混合現實（AR/MR）應用。AR/MR應用將現實世界與虛擬元素相融合，為用戶帶來了更好的商業互動、3D設計和遊戲娛樂體驗。

盡管AR/MR尚未成為主流，但隨著這些技術背後的工具的迅猛發展，AR/MR成為智能手機日常用途的代名詞指日可待。

實現MR體驗所需的兩大要素分別是：zhinengshoujishexiangtouyijikeyijianceyonghuzhouweihuanjingbingjiangqixianshizaipingmushangdeyingyongchengxu。tongguozhezhongfangshi，jiukeyiyingshexianshishijie
，ranhoujiangxunituxiangfangruqizhong。weishixianzheyidian，zhinengshoujishexiangtoubixunenggouduisaomiaoquyutigongshenduhexijietuxiang。

ToF傳感器通過準確映射物體及其周圍環境，成為該場景中的主角。MR是大有前途的3D設計輔助技術，例如：室內設計師可以使用自己的手機繪製房間，並進行數字化家具布置。同樣
，真實世界的物體也可以使用ToF傳感器攝像頭進行3D映射和數字化處理。市麵上已經有了很多這類商用移動應用程序，但卻因攝像頭而無法實現逼真的映射效果(4)。

ToF將顯著增強深度信息，而映射圖像又為創新和快速的 3D設計帶來了無限可能。混合現實的另一個應用是商業交互，專業人士可以借此展示逼真的場地/項目圖像，來加深理解。

MR還被用於創建真實的商業背景
，也就是將人們插入一個人的視野中
，並將虛擬會議變成真實會議。ToF傳感器是這個操作的核心，因為隻有3D成像提供的深度信息才能使這種體驗更加逼真。最近，由社交網絡巨頭推出的元宇宙概念就將利用這一精確技術，這將促進對ToF傳感器的需求和創新。

遊戲是另一個利用AR/MR ToF優勢的領域。遊戲設備和現在的智能手機正在使用ToF傳感器的手勢識別功能來實現完全沉浸式的體驗。當ToF傳感器被集成到移動設備的前置攝像頭時，就可以大幅增強麵部識別等安全措施。通過在後置攝像頭中使用3D技術，ToF傳感器有望實現出色的計算攝影和沉浸式VR體驗。無需大量後期處理，ToF傳感器就可以在圖像和視頻中有效地渲染背景虛化效果。

在理想的情況下，混合現實要比虛擬現實和增強現實技術先進得多。它對處理能力提出了較為苛刻的要求，需要實時獲取高精度3D深度數據。此外

，光照條件是實現MR所需的逼真感的一大挑戰。不論是房屋和車輛等室內環境，還是光照受天氣影響的室外環境
，強大的ToF攝像頭都必須能夠在所有光線條件下捕獲準確的深度數據。

在商業交互和日常生活中使用MR技ji術shu，對dui許xu多duo人ren來lai說shuo似si乎hu為wei時shi過guo早zao。然ran而er，在zai新xin冠guan疫yi情qing期qi間jian，整zheng個ge世shi界jie對dui模mo糊hu虛xu擬ni世shi界jie和he現xian實shi世shi界jie邊bian界jie的de服fu務wu需xu求qiu呈cheng指zhi數shu級ji增zeng長chang
，這zhe促cu使shi非fei麵mian對dui麵mian服fu務wu加jia速su發fa展zhan。因yin此ci，我wo們men可ke以yi合he理li地di預yu期qi
，在zai不bu遠yuan的de將jiang來lai

，增zeng強qiangAR/MR技術將成為工作和娛樂所不可或缺的技術。更不用說ToF這類技術
，它作為愈發強大的MR性能的支柱性技術
，將變得更加重要。

英飛淩ToF傳感器

英飛淩與pmdtechnologies合作推出了REAL3™圖像傳感器係列，pmdtechnologies是一家專注於 ToF 技術的德國公司
，在該領域處於領先地位。這係列傳感器使用紅外光進行飛行時間（ToF）傳感，並為每個像素配備一個微透鏡，因此，幾乎沒有光能損失

，而且準確性更高。英飛淩第六代REAL3™ 3D ToF傳感器特別專注於消費類應用，例如：智能手機應用
，特別是基於AR/MR的拍照和攝像。該傳感器的功耗比前幾代產品低40%，這對於需要長時間開啟ToF攝像頭的遊戲等應用來說非常重要
，可以保護電池壽命。考慮到現代智能設備對尺寸的嚴格限製
，ToF傳感器的設計占用麵積僅為4.4 × 4.8 mm²
，與前幾代產品相比縮小了35%。

REAL3™圖像傳感係統的另一個突出特點是，增大了傳感範圍，可達10 m。調製頻率越高，ToF傳感器的深度精度就越好，但這會影響傳感器的測量範圍。因此，REAL3™圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)使(shi)用(yong)兩(liang)個(ge)調(tiao)製(zhi)頻(pin)率(lv)，並(bing)對(dui)收(shou)集(ji)到(dao)的(de)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)細(xi)致(zhi)的(de)後(hou)期(qi)處(chu)理(li)，以(yi)便(bian)在(zai)不(bu)影(ying)響(xiang)深(shen)度(du)質(zhi)量(liang)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)
，實(shi)現(xian)相(xiang)當(dang)大(da)的(de)測(ce)量(liang)範(fan)圍(wei)。這(zhe)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)還(hai)配(pei)備(bei)了(le)pmdtechnologies的背景照明抑製（SBI）技術，可降低像素飽和度，使攝像頭能夠在各種光照條件下運行。傳感器還可以通過 I2C jiekoudongtaidizhongxinpeizhi
，yishiyingxindecaozuohuanjing。tongguojiangsuoyouzhexiegongnengzhenghedaoyigechengxiangxitongzhong，kansibukenengdeyingyongxianzaisihuyijingchengweiyigequedingdexianshi。yinci，shejishixuyaoliuyiyingfeilingzaigaojingdu3D圖像傳感器方麵的最新創新。

參考文獻

1.Stratview Research. Time-of-Flight (ToF) Sensor Market | Market Size, Share & Forecast Analysis | 2021-26 [Internet]. 2022 Jul [cited 2022 Jul 31]. 

Available from: https://www.stratviewresearch.com/1731/time-of-flight-(ToF)-sensor-market.html

2.Counterpoint Research. Brighter, steadier, smarter: How smartphone cameras will improve in 2022 [Internet]. BBC Future. [cited 2022 Aug 20]. 

Available from: https://www.bbc.com/storyworks/future/looking-ahead-with-tecno/brighter-steadier-smarter-how-smartphone-cameras-will-improve-in-2022

3.Counterpoint Research. Global Mobile Camera Trends 2022: Innovation Talk [Internet]. Counterpoint Research. 2021 [cited 2022 Aug 20]. 

Available from: https://www.counterpointresearch.com/global-mobile-camera-trends-2022-innovation-talk/

4.Velichko Y. How AR Fills Your Room with Virtual Decor [Internet]. PostIndustria. 2021 [cited 2022 Jul 31]. 

Available from: https://postindustria.com/how-ar-fills-your-room-with-virtual-decor-top-home-virtual-furniture-placement-apps-ar-furniture/

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