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前言

       自從人類誕生以來(lái)，距離信息就是人類孜孜不倦的追求。然而測(cè)距方法在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)并沒(méi)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(guò)三角法第一次估算了地球和太陽(yáng)的距離，雖然結(jié)果和現(xiàn)代科學(xué)的測(cè)量相差甚遠(yuǎn)，然而這一方法卻通過(guò)一代一代的加以改進(jìn)，一直沿用至今。從古埃及人測(cè)量金字塔的高度，一直到使用地球公轉(zhuǎn)軌道測(cè)定恒星距離，使用了幾千年的三角測(cè)距并沒(méi)有什么理論上的突破，而僅僅只是在測(cè)量的工具上越來(lái)越精密，規(guī)模越來(lái)越宏大。

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

       Lidar又被稱為飛行時(shí)間測(cè)距TOF（Time-of-Flight），因?yàn)槟壳爸饕臏y(cè)距原理仍然是利用光束或者光脈沖從探測(cè)設(shè)備上發(fā)射之后，經(jīng)過(guò)目標(biāo)反射，再返回到接收端的飛行時(shí)間來(lái)完成對(duì)于距離的測(cè)量。就原理上來(lái)說(shuō)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(cè)量光信號(hào)一來(lái)一回的時(shí)間，從而計(jì)算出距離；而ITOF則是通過(guò)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(xiě)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(chǎng)景，從用戶的角度來(lái)看看到底我們需要什么樣的TOF。

人物介紹

 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(kāi)張了好幾十年，但看起來(lái)一直沒(méi)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(lái)。店鋪的招牌也不怎么新，門(mén)口的小二常年在店門(mén)口坐著有一搭沒(méi)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(lái)，每個(gè)月來(lái)送一次茶葉的茶鋪掌柜上周就來(lái)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(mén)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(lái)到了店里，店里的艾掌柜和狄掌柜跑出來(lái)笑嘻嘻的迎接大家，都希望給自己銷(xiāo)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(shuí)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(lái)。

       "可以"，"沒(méi)問(wèn)題"，艾掌柜和狄掌柜忙不迭地應(yīng)答。"一個(gè)一個(gè)來(lái)，說(shuō)說(shuō)你們的需求我來(lái)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(lái)，帶著的帽子上畫(huà)著只被咬了一口的蘋(píng)果。

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

       "沒(méi)問(wèn)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(kāi)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(jí)，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(hào)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(shuō)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(lái)成本還不知道誰(shuí)比較低呢。"狄掌柜環(huán)顧四周，繼續(xù)說(shuō)道"我們DTOF技術(shù)，利用SPAD陣列做單光子檢測(cè)，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(hào)。還可以根據(jù)不同像素的使用情況靈活開(kāi)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(tái)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(shuō)，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(tái)擠了又?jǐn)D。

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

       狄掌柜臉色一黑，轉(zhuǎn)過(guò)頭來(lái)，"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(guò)幾個(gè)月再來(lái)，我就可以做到幾千甚至上萬(wàn)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(wàn)多發(fā)光點(diǎn)??？客官您要是過(guò)幾個(gè)月來(lái)，我能給你VGA分辨率甚至1080p的！等他們家做到上萬(wàn)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(yáng)怪氣的說(shuō)。

       "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(cè)距，過(guò)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(shuō)。

       "你們能對(duì)抗中午的太陽(yáng)嗎？"狄掌柜一臉的狐疑，"我們目前技術(shù)對(duì)抗一下1~2萬(wàn)lux的陽(yáng)光還是沒(méi)問(wèn)題的，你們要對(duì)抗不了10萬(wàn)lux，就別吹牛啦，做人，還是要敬畏一下中午的太陽(yáng)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(duì)應(yīng)視場(chǎng)角，這不就可以了嗎，我們可是單光子檢測(cè)技術(shù)，再微弱的信號(hào)也能檢測(cè)到，動(dòng)輒大幾十米上百米的測(cè)距范圍，動(dòng)態(tài)范圍要求很高的，你們行嗎？"狄掌柜看起來(lái)并不相讓。

       艾掌柜并不慌張，緩緩說(shuō)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(guò)增加積分時(shí)間來(lái)將真正的回波信號(hào)找出來(lái)，我們的動(dòng)態(tài)范圍也可以達(dá)到90dB以上。你說(shuō)的濾光片我們也可以用啊，又不是只你一家。說(shuō)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(shuō)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(wèn)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(shuō)道："你們像素小，還要積分，本來(lái)就發(fā)的是方波，要想測(cè)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(duì)了，還能當(dāng)電暖氣用。"

       "我，我也有別的技術(shù)提升測(cè)距啊，本來(lái)不想告訴你的，你既然說(shuō)到這里了，我就不妨說(shuō)出來(lái)。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(cè)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(shuō)點(diǎn)實(shí)際的吧！你們的測(cè)距精度如何?。?quot;

       這句話似乎提醒了狄掌柜，"我們DTOF的測(cè)距精度非常好，可以做到厘米級(jí)以內(nèi)，而且我們的測(cè)距精度只和TDC的精度相關(guān)，別說(shuō)1m，10m，還是100m，絕對(duì)誤差基本不變。不像他們家的，"說(shuō)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(shuō)起來(lái)都只敢說(shuō)<1%，你要是測(cè)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(shuō)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(méi)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(shuō)你們沒(méi)有多路徑，用DTOF去檢測(cè)一塊玻璃后的東西，測(cè)出來(lái)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(shuō)得清楚嗎？"

       "這個(gè)問(wèn)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(wèn)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(shuō)好了哦！" 周?chē)鷩娜巳簩?duì)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(lái)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(zhǎng)衫的先生，說(shuō)道，"大家安靜一下，他們說(shuō)的那些問(wèn)題，我這里都能克服，我的技術(shù)既能測(cè)距又能測(cè)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(duì)哪里測(cè)距都可以，純固態(tài)，低功率，大視場(chǎng)角，還可以對(duì)感興趣的區(qū)域精細(xì)掃描，你們說(shuō)我這個(gè)技術(shù)好不好啊？"

       這時(shí)周?chē)澎o的空氣中爆發(fā)出了一陣哄笑，"連掌柜，你又來(lái)推銷(xiāo)連續(xù)光調(diào)頻相干測(cè)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(qián)做研發(fā)，還沒(méi)弄出來(lái)嗎？"

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

       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(lái)打圓場(chǎng)，"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(lái)，我這里的貨物種類比較多，大家看看有沒(méi)有什么能用上的，盡管拿去試試 "。

       "那我要一組小號(hào)的ITOF，裝在手機(jī)上，這樣子可以用來(lái)人臉識(shí)別解鎖手機(jī)，還可以用來(lái)進(jìn)行AR應(yīng)用。" 衣服上畫(huà)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(lái)個(gè)分辨率最大的！"又一個(gè)人走上前來(lái)，拿走了一款較大的ITOF模組，說(shuō)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(shuō)完轉(zhuǎn)身離去。

       "我們做井下工作的要求不太高，煤礦的鏟車(chē)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(chǎng)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(lái)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(mén)后掏出了安全帽，坐上了車(chē)。

       又來(lái)了一些人在艾掌柜這里選擇了想要的ITOF測(cè)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(shuō)道："你們想要點(diǎn)啥嗎？"

       這幾個(gè)人看了看艾掌柜柜臺(tái)上的東西，又看了看狄掌柜柜臺(tái)上的東西，說(shuō)道："我們做點(diǎn)智能家電，掃地機(jī)器人，智能門(mén)鎖這樣的，覺(jué)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(shuō)道："歡迎歡迎！我給你們我們的樣品和說(shuō)明書(shū)！"轉(zhuǎn)頭去看狄掌柜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)狄掌柜已經(jīng)沒(méi)影了，VIP室的門(mén)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(lái)，只見(jiàn)沙發(fā)上坐著的年輕人站了起來(lái)，拉住正欲離開(kāi)的狄掌柜，又撿起來(lái)放在茶幾上的繡著被咬掉一口蘋(píng)果的帽子，說(shuō)："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(tīng)下回分解）

知識(shí)點(diǎn)梳理 

       這篇小文用對(duì)話的形式講述了DTOF和ITOF對(duì)用戶端的優(yōu)劣勢(shì)，對(duì)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(guò)一個(gè)表格對(duì)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(lái)選擇，而不是盲目跟風(fēng)。