【導(dǎo)讀】如果你已經(jīng)是父母了，或許在孩子剛出生的階段做過這樣的事情——寶寶在睡覺，看著一動(dòng)不動(dòng)，你就會(huì)用手去探寶寶的鼻子，看看寶寶是不是在正常呼吸，手上有了溫?zé)岬暮粑鼩怏w才會(huì)放心。一般大家管這種行為稱之為“新手父母的焦慮”。如今，這一焦慮可以利用ToF技術(shù)來消除了。由ADI公司、Arrow、香港中文大學(xué)等共同完成的利用ToF技術(shù)針對(duì)健康護(hù)理產(chǎn)品的概念驗(yàn)證設(shè)計(jì)可輕松測(cè)量嬰兒的胸部活動(dòng)，從而計(jì)算呼吸頻率，并將這些信息傳輸至移動(dòng)設(shè)備。
ToF攝像頭消除新手父母的焦慮
對(duì)于需要實(shí)時(shí)深度映射的應(yīng)用來說，ToF技術(shù)越來越受青睞，應(yīng)用案例包括工業(yè)安全和自動(dòng)化、自動(dòng)駕駛、物質(zhì)檢測(cè)和分類、虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及無人機(jī)。現(xiàn)在，我們很開心看到在消費(fèi)醫(yī)療產(chǎn)品領(lǐng)域也開始采用ToF技術(shù)。據(jù)介紹，ADI這款業(yè)界首款針對(duì)健康護(hù)理產(chǎn)品的概念驗(yàn)證設(shè)計(jì)采用了ADI的 3D ToF技術(shù)。在智能傳感算法的支持下，該設(shè)計(jì)展示了 3D ToF 技術(shù)的部署方式，為呼吸模式監(jiān)測(cè)和微小動(dòng)作檢測(cè)提供高精度的，納秒級(jí)實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)。
該設(shè)計(jì)的監(jiān)視器最前面采用ADI的ToF技術(shù)攝像頭，在嬰兒呼吸時(shí)，監(jiān)視器會(huì)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過自定義濾波器和增強(qiáng)算法，讓監(jiān)護(hù)人能夠測(cè)量嬰兒的胸部活動(dòng)，移動(dòng)設(shè)備會(huì)基于嬰兒的呼吸頻率實(shí)時(shí)刷新這些信息。此外，對(duì)于小月齡的嬰兒來說，在還不能熟練翻身的情況下，趴著也有一定的危險(xiǎn)性，該監(jiān)視器也能夠監(jiān)測(cè)嬰兒是否翻身，這一動(dòng)作在移動(dòng)設(shè)備中也會(huì)清晰的看到。
利用ToF技術(shù)針對(duì)健康護(hù)理產(chǎn)品的概念驗(yàn)證設(shè)計(jì)
據(jù)悉，該項(xiàng)概念設(shè)計(jì)將被為摩托羅拉智能育兒品牌提供物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和平臺(tái)服務(wù)的供應(yīng)商Hubble Connected 公司采用，有了這項(xiàng)監(jiān)視器產(chǎn)品，新手爸媽再也不需半夜起身用手指探嬰兒的鼻息或查看寶寶是否翻身，只需拿起手邊的移動(dòng)設(shè)備就可了解寶寶的狀態(tài)啦。
強(qiáng)大的ToF應(yīng)用來自于每一個(gè)像素的深度信息
ToF是一個(gè)具有巨大潛力的新興監(jiān)測(cè)方式。強(qiáng)大的ToF應(yīng)用來自于每一個(gè)像素的深度信息：ToF攝像機(jī)通過使用調(diào)制光源（例如激光或LED）主動(dòng)照亮物體，然后用對(duì)激光波長(zhǎng)敏感的傳感器捕捉反射光，以此測(cè)量距離。傳感器測(cè)量從攝像機(jī)發(fā)射光，到攝像機(jī)接收到發(fā)射光之間的時(shí)間延遲?T。時(shí)間延遲與攝像機(jī)和物體之間的兩倍距離（往返）成正比；因此，距離可以估算為深度 = cΔT/2，其中c表示光速。ToF相機(jī)的主要工作是估算發(fā)射光信號(hào)和反射光信號(hào)之間的延遲。目前存在多種不同的測(cè)量?T的方法，其中連續(xù)波方法和脈沖是最為常用的兩種方法。
簡(jiǎn)單的ToF測(cè)量示意圖
連續(xù)波方法采用周期調(diào)制信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)發(fā)光，然后對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行零差解調(diào)，以測(cè)量反射光的相移；在脈沖方法中，光源發(fā)出一系列N 個(gè)激光短脈沖，這些脈沖被反射回帶有電子快門的傳感器，該傳感器能夠在一系列短時(shí)間窗口中進(jìn)行曝光。相對(duì)于應(yīng)用，兩種ToF方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇哪種方法的ToF系統(tǒng)需要考慮的問題包括：測(cè)量距離、使用系統(tǒng)的環(huán)境、精度要求、熱/功耗限制、外形大小以及電源問題。值得注意的是，目前市場(chǎng)上得到廣泛應(yīng)用的絕大多數(shù)連續(xù)波ToF系統(tǒng)都使用CMOS傳感器，脈沖ToF系統(tǒng)則使用非CMOS傳感器（主要是CCD）。
高性能模擬前端解決ToF應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)
ADI的ToF技術(shù)屬于脈沖ToF CCD系統(tǒng)，使用高性能ToF CCD和集成了12位ADC、深度處理器（將來自CCD的原始模擬圖像信號(hào)處理成深度/像素?cái)?shù)據(jù)），以及高精度時(shí)鐘發(fā)生器（為CCD和激光器生成驅(qū)動(dòng)時(shí)序）的TOF模擬處理前端ADDI9036。時(shí)序發(fā)生器的精確時(shí)序內(nèi)核支持在45 MHz時(shí)鐘頻率下按照大約174 ps分辨率調(diào)整時(shí)鐘和LD輸出。
ADI ToF系統(tǒng)功能框圖
與其它解決方案相比，ADI的ToF系統(tǒng)具備以下優(yōu)點(diǎn)：第一，使用了分辨率為640×480的ToF圖像傳感器，其分辨率比市面上大部分其他ToF解決方案的分辨率高4倍；第二，使用了對(duì)940nm波長(zhǎng)高度靈敏的傳感器。
我們都知道環(huán)境光會(huì)顯著降低反射信號(hào)的信噪比，特別是在強(qiáng)烈的環(huán)境光下。940nm激光器已經(jīng)變得很普遍，因?yàn)檫@種波長(zhǎng)在太陽光光譜中占據(jù)了一席之地，在該光譜中，光子通量的幅度相對(duì)較低。ADI ToF系統(tǒng)使用對(duì)940nm光敏感的ToF CCD，因此能夠在室外環(huán)境或具有強(qiáng)環(huán)境光的區(qū)域采集到更多的有效信號(hào)。下圖顯示的示例中，在戶外使用三個(gè)不同的深度測(cè)量系統(tǒng)來測(cè)量距離。值得注意的是，使用850 nm光源的CMOS ToF系統(tǒng)很難分辨出人與三腳架，而ADI的CCD ToF系統(tǒng)卻能夠清晰地分辨出兩者。
戶外圖像的深度圖比較
結(jié)論
ToF 傳感器技術(shù)可以精確投射僅持續(xù)數(shù)納秒的受控激光，這些激光之后從場(chǎng)景中反射到高分辨率圖像傳感器，從而可以對(duì)這個(gè)圖像矩陣中的每個(gè)像素給出深度估值。ToF相機(jī)更是憑借更小的外形尺寸、更寬的動(dòng)態(tài)感測(cè)范圍以及在多種環(huán)境下工作的能力，已經(jīng)成為深度測(cè)量的首選方法。ADI正在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷售一個(gè)新的產(chǎn)品系列，其中包括3D ToF成像器、激光驅(qū)動(dòng)器、基于軟件和硬件的深度系統(tǒng)，這些產(chǎn)品將提供市場(chǎng)上出色的深度分辨率，精度可以達(dá)到毫米級(jí)。特別是基于Microsoft Azure Kinect技術(shù)的CMOS ToF產(chǎn)品，將為工業(yè)4.0、汽車、游戲、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、計(jì)算攝影和攝像等領(lǐng)域中廣泛的受眾提供領(lǐng)先的解決方案。
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