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OPPO TOF结构光详解及未来应用的无限可能

天极网手机频道 2018. 08. 08 作者:无名氏 责编:王跃锐
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  【天极网手机频道】8月6日,OPPO在北京举行了TOF技术沟通会,OPPO公司的3D视觉技术研发项目经理张学勇对TOF技术进行全面的技术讲解,并与OPPO产品经理赵雨其解答了众人对TOF技术的疑问。

  手机的持续发展让他具备了信息获取和处理信息的能力,但在过去的很长一段时间里,手机所看到的是平面世界,3D视觉技术的加入可以很好的解决这个问题。让手机的视觉从平面到立体,现在行业中有三种主流的3D视觉方案:双目立体视觉方案、3D结构光方案、TOF方案。双目立体视觉方案属于被动采集方案,3D结构光和TOF属于主动采集方案。

  3D结构光和TOF有哪些不同?3D结构光主要适用于近距离的3D信息采集,专要应用场景在人脸识别,再通过人脸识别进而应用于解锁、支付等方面;TOF方案主要应用于相对远距离的3D信息采集,TOF方案的应用范围和想象空间也更大。手机的前置使用场景和后置使用场景可以很好的适配3D结构光和TOF技术。

  TOF是time of flight(飞行时间)的缩写,这种技术主要是通过被测目标连续发送光信号,在传感器端接收被测目标返回的光信号,再通过计算发射和接收光信号的往返飞行时间来得到被测目标的距离。TOF技术是在传统的2D XY轴的成像基础上,加入来自Z轴方向的深度信息,最终生成3D的图像信息。对于TOF所生成3D图像信息精度的评判,加入纵向精度也是3D成像技术的关键。

  3D结构光的原理是发射衍射光斑到物体上,传感器接收到发生形变的光斑后,再根据光斑形变的量来判断深度信息,但3D结构光所发射的衍射光斑,在一定距离外的能量密度会降低,所以并不适用远距离的深度信息采集;TOF技术是发射的是面光源,而不是散斑,所以TOF的光信息不会向3D结构光一样出现大量衰减,TOF感光元件的像素达到10μm,对于光的采集有足够的保障。

TOF的五大核心硬件单元

  1.红外发射单元
  包括Vcsel发射器、Diffuser(扩散器)。Vcsel发出的是脉冲方波,波长为940nm,该波长的红外光是非可见光,同时在光谱中的量最少,可以避免环境光的干扰。由Vcsel发射出的光源,还会通过Diffuser将光调制成均匀的面光源,再发射出去。

 
  2.光学透镜
  它用于汇聚反射回来的光线,在光学传感器上成像。不过与普通光学镜头不同的是这里需要加一个窄带滤光片来保证只有与发射的光信号波长相同(即940nm)的光才能进入,这样做的目的是抑制非相干光源减少背景噪声,同时防止传感器因外部光线干扰而过度曝光。


  3.成像传感器
  与一般相机的感光元件类似,用来接收反射回来的光,并在sensor上进行光电转换,不过由于TOF的原理,sensor的感光时间非常短,达到了纳秒级别,所以单像素尺寸比一般相机的大很多,比如:目前RGB在用的pixel size为1μm,而我们的TOF sensor的pixel size为10μm。


  4.控制单元
  控制单元即为激光发射器的驱动IC,能够驱动激光用上限达到100MHz的高频脉冲驱动;同时消除各类干扰,保证驱动波形是完美的方波,上升沿和下降沿时间在0.2ns左右,从而有效保障高精度的深度精度的提取。

  5.核心算法计算单元
  核心算法计算单元即为我们手机的AP,我们将深度提取的核心算法library移植到AP中,AP从模组中读取单模组校准的数据,驱动深度提取算法library,将RAW图换算成的深度图;然后利用深度图用于各个应用。

  OPPO TOF方案的优势在于Z轴精度研发,同时在精度、能耗、应用场景范围等方面达到了行业领先水平:

  1.精准的Z方向精度
  OPPO的TOF技术采用双频驱动,采样为240帧fps,即:每个单频对应四个相位,每个相位对应一个激光脉冲,从而获得8帧RAW图,最后每8帧合成一张深度信息,市面上的其它方案一般为30帧每秒,每一张深度信息只采用一帧的信息,所以在Z方向的精度上的方案更高,绝对精度为1%,相对精度为0.5%。

  2. 严苛的精度标定
  为了确保TOF的工作精度,我们专门定制了精度标定的工序,这是行业内都不会做的,但是对于TOF来说,它的极其精密的构造,每一个环节都会影响到最终3D成像的精度,尤其是Z方向的精度,所以,在研发过程中仅针对精度标定就已经进行了三轮标定的设备更新,每一次都投入了很高的研发成本,同时我们研发出了一套四个距离四个角度多次标定的创新组合方案,为最终产品的体验保驾护航。

  3. 低使用功耗
  OPPO的TOF方案采用的是BSI CMOS,在功耗上比其它CCD方案低3到5倍。

  4. 强抗干扰性
  OPPO的TOF方案采用的是940nm波长的光信号,在光谱中的量最少,同时因为是主动发射光,受环境光影响小,所以OPPO的TOF方案能在包括暗光下的全天候无差别工作。

  TOF技术的应用

  相比于3D结构光专注于近距离的人脸解锁、人脸识别不同,TOF技术更适合远距离的3D信息采集,也让TOF的应用范围更广、想象空间更大。只要是合理范围内的物体,都可以通过TOF进行3D建模,建模完后的信息可通过AR、全息投影等方式将3D信息展现出来。比如3D试装、AR装潢、AR游戏、体感游戏、全息影像交互等都可以通过TOF技术实现。未来5G网络带来的高带宽,为3D视觉技术提供了信息传输的保障,未来的3D视频通话、虚景+虚景的远程VR,虚景+实景的远程AR,实景+实景的远程JR等泛在现实使用场景将迎来爆发式应用。

作者:无名氏责任编辑:王跃锐)
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