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A debate about advantages disadvantages between ITOF & DTOF

Time:2020-08-08 Reading times:13328

前言

       自從人類誕生以來,距離信息就是人類孜孜不倦的追求。然而測距方法在很長時(shí)間內(nèi)并沒有產(chǎn)生巨大的發(fā)展。生活在公元前的古代數(shù)學(xué)家們通過三角法第一次估算了地球和太陽的距離,雖然結(jié)果和現(xiàn)代科學(xué)的測量相差甚遠(yuǎn),然而這一方法卻通過一代一代的加以改進(jìn),一直沿用至今。從古埃及人測量金字塔的高度,一直到使用地球公轉(zhuǎn)軌道測定恒星距離,使用了幾千年的三角測距并沒有什么理論上的突破,而僅僅只是在測量的工具上越來越精密,規(guī)模越來越宏大。

       進(jìn)入20世紀(jì),隨著電子與無線電技術(shù)的發(fā)展,一個(gè)完全不同于三角測量法的測距原理浮出水面,進(jìn)入了人們的視野,即,飛行時(shí)間測距。這里的飛行時(shí)間并不僅僅代表光,可以是聲音,無線電波等一切可以運(yùn)動(dòng)的物體,如果你喜歡,可以用車,子彈或者彈球也可以。使用聲音飛行時(shí)間測距的物體是聲納或者B超,無線電波飛行時(shí)間測距的是雷達(dá),而采用光的飛行時(shí)間來測距的的就是激光雷達(dá)了(Lidar)。

       Lidar又被稱為飛行時(shí)間測距TOF(Time-of-Flight),因?yàn)槟壳爸饕臏y距原理仍然是利用光束或者光脈沖從探測設(shè)備上發(fā)射之后,經(jīng)過目標(biāo)反射,再返回到接收端的飛行時(shí)間來完成對于距離的測量。就原理上來說分為兩種:DTOF(Direct time of flight)和ITOF(Indirect time of flight)。我們也可以望文生義地直接得到這兩種方法的原理,DTOF就是直接測量光信號一來一回的時(shí)間,從而計(jì)算出距離;而ITOF則是通過某些與飛行時(shí)間相關(guān)的物理量,從而反推出飛行時(shí)間,如四相位法。

       你以為我又要老調(diào)重彈地從技術(shù)角度寫一篇DTOF和ITOF之間孰優(yōu)孰劣的文章了?今天我們換一種方式,下面我將設(shè)想一個(gè)場景,從用戶的角度來看看到底我們需要什么樣的TOF。


人物介紹

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 第1回   

3D江湖烽煙起,潛龍?jiān)跍Y待機(jī)騰

       熱鬧的商業(yè)街上有一個(gè)名為"三維傳感"的店鋪,這個(gè)店鋪開張了好幾十年,但看起來一直沒什么顧客,只偶爾有幾個(gè)穿軍裝或西裝的人直接進(jìn)到后面的大戶室,很久才會(huì)出來。店鋪的招牌也不怎么新,門口的小二常年在店門口坐著有一搭沒一搭的玩著手機(jī)。

       但是近些日子,這家店的人流似乎漸漸多了起來,每個(gè)月來送一次茶葉的茶鋪掌柜上周就來了兩三次。甚至有幾次,店里已然坐不下了,小二飛奔到隔壁的攝影器材店借了一大摞凳子,讓大家在門口坐了一排,又奉上茶水零食,弄得像海底撈一樣,蔚為壯觀。

       一日,大家似乎不約而同地來到了店里,店里的艾掌柜和狄掌柜跑出來笑嘻嘻的迎接大家,都希望給自己銷售的產(chǎn)品招攬更多的客戶,一個(gè)勁的把大家往店里迎。

       "我要做3D成像!" 不知道誰大喊了一聲。

       "我也要!","我也要!" 應(yīng)答的聲音此起彼伏。

       "我要體積小的!","我要看得遠(yuǎn)的!","我要功耗低的!"人群中你一句我一句的叫了起來。

       "可以","沒問題",艾掌柜和狄掌柜忙不迭地應(yīng)答。"一個(gè)一個(gè)來,說說你們的需求我來給你們建議"。

       "我要小巧輕便的放在手機(jī)里!"一個(gè)人從人群中走出來,帶著的帽子上畫著只被咬了一口的蘋果。

       "我和他一樣!"另一個(gè)人也走上前來,他的衣服上畫了一朵菊花,隨后又補(bǔ)充了一句:"還得便宜。"

       "沒問題!"兩位掌柜齊聲回答。他們又相互看了一眼之后,艾掌柜搶先開口了:"我們ITOF像素做的小,即使像素?cái)?shù)量比他們DTOF做得多一兩個(gè)數(shù)量級,芯片面積也還是比較小的,當(dāng)然便宜,而且我們主要采用模擬信號處理,數(shù)據(jù)帶寬壓力也不大。不像他們,SPAD像素輸出之后就幾乎全是數(shù)字電路了,用模擬的180nm/130nm/65nm工藝做那么一大堆數(shù)字電路和RAM,我看著都浪費(fèi)"

       狄掌柜也不甘示弱,說道:"我們以后用了Stacking工藝可以減小芯片面積,成本也會(huì)下降,甚至我們以后可以考慮用7nm工藝做數(shù)字部分,像素還是使用65nm工藝,算下來成本還不知道誰比較低呢。"狄掌柜環(huán)顧四周,繼續(xù)說道"我們DTOF技術(shù),利用SPAD陣列做單光子檢測,功耗低,發(fā)熱小,省電,哪怕只有一個(gè)光子也能觸發(fā)雪崩,產(chǎn)生脈沖信號。還可以根據(jù)不同像素的使用情況靈活開啟或者關(guān)閉不同的像素,從發(fā)射端到接收端都比你們ITOF的功耗低!你看他們柜臺的ITOF,發(fā)光功率就比我的高了不少,還看不遠(yuǎn),用了那么多光,浪費(fèi)了不少的電不說,結(jié)果還是個(gè)近視眼。"

       人群中爆發(fā)出一陣陣哄笑,大家又都向狄掌柜的柜臺擠了又?jǐn)D。

       "那你為什么不說你的分辨率低呢?"艾掌柜反唇相譏。"你說什么三萬像素,最后不還是靠發(fā)射光的576個(gè)光點(diǎn)來成像,你說你的分辨率到底是三萬還是576?"

       狄掌柜臉色一黑,轉(zhuǎn)過頭來,"分辨率,分辨率是可以提升的,我以后多打一些光點(diǎn)不就可以了嗎?客官你過幾個(gè)月再來,我就可以做到幾千甚至上萬個(gè)發(fā)光點(diǎn)了,這個(gè)分辨率您滿意嗎?"

       "我現(xiàn)在就已經(jīng)有QVGA分辨率的了,你什么時(shí)候能做到7萬多發(fā)光點(diǎn)?。靠凸倌沁^幾個(gè)月來,我能給你VGA分辨率甚至1080p的!等他們家做到上萬分辨率你可是要等到花都謝了。"艾掌柜斜了狄掌柜一眼,陰陽怪氣的說。

       "等你做到1080p不還是個(gè)近視眼?"狄掌柜不甘示弱。"我現(xiàn)在可以滿足5-7m的測距,過一陣子我輕輕松松就可以提升到10-20m的距離,你行嗎?還1080p?你的產(chǎn)品想看那么遠(yuǎn),怕不是要發(fā)射好幾瓦的光哦,你是想讓用戶變成瞎子嗎?"

       "你們DTOF技術(shù),遇到比較強(qiáng)的背景光,你們就只能當(dāng)瞎子了,你們干脆改名叫夜貓子TOF好了。"艾掌柜忙不迭的一句一句說。

       "你們能對抗中午的太陽嗎?"狄掌柜一臉的狐疑,"我們目前技術(shù)對抗一下1~2萬lux的陽光還是沒問題的,你們要對抗不了10萬lux,就別吹牛啦,做人,還是要敬畏一下中午的太陽的!"

        "我們也可以抗大背景光啊,只要降低濾光片濾光的帶寬,像素再做小一些,另外降低每個(gè)像素對應(yīng)視場角,這不就可以了嗎,我們可是單光子檢測技術(shù),再微弱的信號也能檢測到,動(dòng)輒大幾十米上百米的測距范圍,動(dòng)態(tài)范圍要求很高的,你們行嗎?"狄掌柜看起來并不相讓。

       艾掌柜并不慌張,緩緩說道:"我使用折疊積分技術(shù),有多少背景光都不怕,而且就算信噪比再差,我們也可以通過增加積分時(shí)間來將真正的回波信號找出來,我們的動(dòng)態(tài)范圍也可以達(dá)到90dB以上。你說的濾光片我們也可以用啊,又不是只你一家。說到降低像素尺寸,我們已經(jīng)在做3.6μm的像素了,你們還在10μm上下徘徊,做的再小有我們小嗎?你不說我還忘了,你們的分辨率實(shí)際上是點(diǎn)陣的數(shù)目,要么就得線掃,一個(gè)分辨率低,一個(gè)可能降低幀頻,你還是考慮一下怎么解決分辨率的問題吧。"

       此話一出,似乎是戳到了狄掌柜的軟肋,他沉默了一陣,臉上微微泛紅。又說道:"你們像素小,還要積分,本來就發(fā)的是方波,要想測得遠(yuǎn),發(fā)射光得多大功率啊,你這不叫3D成像裝置,干脆叫定向激光武器吧,哦對了,還能當(dāng)電暖氣用。"

       "我,我也有別的技術(shù)提升測距啊,本來不想告訴你的,你既然說到這里了,我就不妨說出來。我這有個(gè)叫飛芯電子的團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種方法,可以測到200m以上呢,也依然使用的是我們ITOF的技術(shù),你可別太驕傲。"艾掌柜反唇相譏,"而且我們的技術(shù)抗背景光和同類設(shè)備干擾的能力比你們強(qiáng)太多了,我們用偽隨機(jī)編碼,抗干擾能力不知比你們高到哪里去了。"

       這時(shí),圍觀群眾有人起哄,高聲喊道"別東扯西扯了,二位掌柜,說點(diǎn)實(shí)際的吧!你們的測距精度如何?。?quot;

       這句話似乎提醒了狄掌柜,"我們DTOF的測距精度非常好,可以做到厘米級以內(nèi),而且我們的測距精度只和TDC的精度相關(guān),別說1m,10m,還是100m,絕對誤差基本不變。不像他們家的,"說到這狄掌柜斜著眼瞅了一眼艾掌柜,"離得越遠(yuǎn)精度越差!說起來都只敢說<1%,你要是測100m的距離,誤差不得到1m去了?我們DTOF的精度就與目標(biāo)距離關(guān)系不大, 100m距離上我有10cm的精度,按照你的算法,那我豈不是可以說我自己的精度誤差<0.1%。另外,你們ITOF的多路徑煩惱,我們可沒有。"

       "這么看,還是狄掌柜的DTOF效果好多了!"人群中有人高喊,隨后也出現(xiàn)了很多附和的聲音。

       "別說你們沒有多路徑,用DTOF去檢測一塊玻璃后的東西,測出來的距離到底是到玻璃還是到后面的東西?"艾掌柜不慌不忙的反擊道,"你能說得清楚嗎?"

       "這個(gè)問題很快就能解決,很快,我們正在努力研究中,再有幾個(gè)月就能解決了。" 狄掌柜又看向艾掌柜,"你們多路徑問題怎么辦?"

       "你們要幾個(gè)月,那我們也只需要幾個(gè)月。"狄掌柜環(huán)顧四周,"只希望大家給我們倆相同的機(jī)會(huì),不要厚此薄彼。"

       "幾個(gè)月,說好了哦!" 周圍圍著的人群對著發(fā)出一陣哄笑,"人家狄掌柜的產(chǎn)品在這個(gè)方面可是天然優(yōu)于你們的啊"。艾掌柜看起來有些不好意思了。

       這時(shí),從后面踱步走出一位戴著眼鏡穿著長衫的先生,說道,"大家安靜一下,他們說的那些問題,我這里都能克服,我的技術(shù)既能測距又能測速,動(dòng)態(tài)范圍足夠大,發(fā)射光功率還小。搭配上我獨(dú)有的發(fā)射方式,不需要任何機(jī)械部件,想對哪里測距都可以,純固態(tài),低功率,大視場角,還可以對感興趣的區(qū)域精細(xì)掃描,你們說我這個(gè)技術(shù)好不好???"

       這時(shí)周圍寂靜的空氣中爆發(fā)出了一陣哄笑,"連掌柜,你又來推銷連續(xù)光調(diào)頻相干測距和光相控陣收發(fā)技術(shù)了?之前好幾個(gè)大掌柜給了你好多錢做研發(fā),還沒弄出來嗎?"

       "明年一定讓大家用上!"連掌柜扶了扶眼鏡,抖了一下長衫,不緊不慢地說。

       人群中又是一陣哄笑,"一年又一年,你這是第幾個(gè)明年一定了???"

       "豈敢豈敢,我這次是真的!" 連掌柜向后縮去。艾掌柜連忙上來打圓場,"大家別急,連掌柜不是那跑路的人,大家現(xiàn)在的需求可以先找我們滿足,一個(gè)一個(gè)來,我這里的貨物種類比較多,大家看看有沒有什么能用上的,盡管拿去試試 "。

       "那我要一組小號的ITOF,裝在手機(jī)上,這樣子可以用來人臉識別解鎖手機(jī),還可以用來進(jìn)行AR應(yīng)用。" 衣服上畫著菊花的男子拿了一個(gè)樣品和一張名片走了,同時(shí)人群中也有幾個(gè)人響應(yīng)。

       "我不介意功耗,也不介意發(fā)熱,我只要分辨率,我是做工業(yè)3D成像的,就是要看的越清楚越好,我家的工業(yè)相機(jī)都要裝上ITOF,給我來個(gè)分辨率最大的!"又一個(gè)人走上前來,拿走了一款較大的ITOF模組,說道"流水線上不在乎省那一瓦兩瓦電的,但是就是要看得清楚,錙銖必現(xiàn),Lucid is what we are seeking for." 說完轉(zhuǎn)身離去。

       "我們做井下工作的要求不太高,煤礦的鏟車和挖煤機(jī)能夠?qū)R就好,別瀝瀝啦啦的滿地漏小煤渣,還得派人清理,還有安全隱患,我看你這ITOF挺好,全視場覆蓋,不留一點(diǎn)死角,不像狄掌柜他們家的,一下子看不全,還得掃來掃去。"一名工程師模樣的人也拿走了一個(gè)ITOF模組,轉(zhuǎn)身離去,出了大門后掏出了安全帽,坐上了車。

       又來了一些人在艾掌柜這里選擇了想要的ITOF測距模組,轉(zhuǎn)身離去,店里還剩下了幾個(gè)人。艾掌柜看了看他們,說道:"你們想要點(diǎn)啥嗎?"

       這幾個(gè)人看了看艾掌柜柜臺上的東西,又看了看狄掌柜柜臺上的東西,說道:"我們做點(diǎn)智能家電,掃地機(jī)器人,智能門鎖這樣的,覺得你們兩家各有各的優(yōu)點(diǎn),我們都想試試。"

艾掌柜連忙說道:"歡迎歡迎!我給你們我們的樣品和說明書!"轉(zhuǎn)頭去看狄掌柜,結(jié)果發(fā)現(xiàn)狄掌柜已經(jīng)沒影了,VIP室的門虛掩著,艾掌柜忙走進(jìn)去招呼狄掌柜,告訴他外面還有客人等著他呢。狄掌柜已經(jīng)脫掉了外套,里面的T恤胸前印著"SONY"幾個(gè)英文字母,他剛準(zhǔn)備從椅子上站起來,只見沙發(fā)上坐著的年輕人站了起來,拉住正欲離開的狄掌柜,又撿起來放在茶幾上的繡著被咬掉一口蘋果的帽子,說:"狄掌柜的貨,我們?nèi)砍邪?,讓外面那群人自己想辦法去吧"。

       (欲知后事如何,且聽下回分解)


知識點(diǎn)梳理 

       這篇小文用對話的形式講述了DTOF和ITOF對用戶端的優(yōu)劣勢,對話內(nèi)容皆為作者腦補(bǔ),如有雷同純屬巧合。

       拋去內(nèi)部的技術(shù)細(xì)節(jié),單純從用戶端的角度出發(fā),我們還是通過一個(gè)表格對于上文中零散的ITOF和DTOF的優(yōu)劣進(jìn)行一下比較吧。在選用的時(shí)候還是需要根據(jù)自己實(shí)際需求來選擇,而不是盲目跟風(fēng)。



ITOF

DTOF

分辨率

高(VGA+,甚至1080p)

低,取決于點(diǎn)陣數(shù)量/掃描方式

測距距離

遠(yuǎn)(200m+)

極遠(yuǎn)(300m+)

距離分辨率

高,隨距離增加而增加

高,不隨距離增加而增加

空間分辨率

低,取決于點(diǎn)陣數(shù)量/掃描方式

抗背景光能力

強(qiáng)

抗干擾能力

低,特別無法應(yīng)對飽和干擾

多路徑/串?dāng)_問題

嚴(yán)重

一般

發(fā)射光平均功率

總功耗

輸出數(shù)據(jù)帶寬

平均每個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)帶寬

中,取決于算法

片內(nèi)數(shù)據(jù)壓力

算法矯正壓力

多傳感器融合難度