無人機(jī)或地面系統(tǒng)上的閃光激光雷達(dá)（也稱為ToF相機(jī)傳感器）具有許多強(qiáng)大的用途，包括物體掃描、測量距離、室內(nèi)導(dǎo)航、避障、手勢識別、跟蹤物體、測量體積、反應(yīng)式高度計、3D攝影、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲等。

什么是ToF相機(jī)傳感器？

飛行時間（ToF）是一種高精度的距離測繪和3D成像技術(shù)，其根據(jù)信號的發(fā)射與被物體反射后返回傳感器之間的時間差來測量傳感器與物體之間的距離——飛行時間3D深度傳感器發(fā)射一個很短的紅外光脈沖，然后相機(jī)傳感器的每個像素測量返回時間。

測距成像ToF相機(jī)是一種非常先進(jìn)的激光雷達(dá)系統(tǒng)，它用一個光脈沖或閃光來代替標(biāo)準(zhǔn)的逐點(diǎn)激光束，以實(shí)現(xiàn)完全的空間感知。該相機(jī)可以感知光線從任何周圍物體返回所需的時間，將其與視頻數(shù)據(jù)相結(jié)合，并創(chuàng)建實(shí)時3D圖像。還可用于跟蹤面部或手部動作，繪制房間地圖，從圖像中移除背景，甚至在圖像中疊加3D對象。

ToF傳感器技術(shù)的優(yōu)勢

作為一種新興技術(shù)，ToF或3DFlashLIDAR與傳統(tǒng)的點(diǎn)（單像素）掃描儀相機(jī)和立體相機(jī)相比具有許多優(yōu)勢，包括：

簡單

與立體視覺或三角測量系統(tǒng)相比，整個系統(tǒng)非常緊湊：照明僅放置在鏡頭旁邊，而其他系統(tǒng)則需要一定的最小基線。

與激光掃描系統(tǒng)相比，不需要機(jī)械運(yùn)動部件。

飛行時間相機(jī)的一大優(yōu)勢是能夠以一張鏡頭合成場景的3D圖像。其他3D視覺系統(tǒng)需要更多圖像和運(yùn)動。

高效

從ToF傳感器的輸出信號中提取距離信息是直接的過程。結(jié)果，該任務(wù)僅使用少量的處理能力，而對于立體視覺，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的相關(guān)算法，需要更多的能量和更多的處理能力。

提取距離數(shù)據(jù)后，物體檢測也是一個簡單的過程，因?yàn)樗惴ú粫艿轿矬w圖案的干擾。

速度

飛行時間3D攝像機(jī)可以單次測量整個場景中的距離。由于攝像頭每秒可達(dá)到160幀，因此非常適合在實(shí)時應(yīng)用中使用。

價錢

與其他3D深度范圍掃描技術(shù)（例如結(jié)構(gòu)化光相機(jī)/投影儀系統(tǒng)或激光測距儀）相比，ToF技術(shù)非常便宜。

ToF是被稱為范圍成像的少數(shù)技術(shù)之一。用于產(chǎn)生范圍圖像的傳感器設(shè)備有時被稱為范圍相機(jī)。其他的測距技術(shù)有立體三角測量、光片三角測量、結(jié)構(gòu)光、干涉測量和編碼光圈。

ToF相機(jī)傳感器技術(shù)與其他技術(shù)相比具有巨大的優(yōu)勢，因?yàn)樗軌蛟谝淮闻臄z中測量完整場景內(nèi)的距離。且ToFFlash激光雷達(dá)無需掃描儀，這意味著整個場景是通過單個光脈沖（閃光）捕獲的，而不是通過旋轉(zhuǎn)的激光束逐點(diǎn)捕獲。ToF相機(jī)使用專用的圖像傳感器可在三個維度上捕獲整個場景，因此無需移動部件。

3DToF相機(jī)傳感器在無人機(jī)上的10大出色應(yīng)用

①、無人機(jī)ToF傳感器用于室內(nèi)導(dǎo)航

對于無人駕駛飛機(jī)甚至機(jī)器人，要在室內(nèi)成功安全地導(dǎo)航，都會帶來許多技術(shù)挑戰(zhàn)。在機(jī)器人制圖中，同時定位和制圖（SLAM）是在構(gòu)造或更新未知環(huán)境的地圖并同時跟蹤代理在其中的位置時所遇到的計算問題。

簡單來說，SLAM關(guān)心的問題是，移動機(jī)器人在構(gòu)建未知環(huán)境的地圖的同時使用地圖導(dǎo)航環(huán)境。

使用飛行時間深度感應(yīng)攝像頭的無人機(jī)ParrotARDrone通過其攝像頭在沒有GPS的情況下實(shí)現(xiàn)室內(nèi)飛行。其所使用的基本機(jī)制是在車輛下方的地面上拍攝兩張照片。然后將第二張照片與第一張照片進(jìn)行比較，并計算出偏移量。此偏移量指示車輛在兩張照片之間移動了多少。

該技術(shù)與向下指向的飛行時間3D深度傳感器相結(jié)合，為室內(nèi)水平和垂直空間定位提供了一種非常準(zhǔn)確且低成本的機(jī)制。

②、無人機(jī)ToF傳感器用于3D形狀掃描

無人機(jī)目前已用于創(chuàng)建建筑物和紀(jì)念碑的精確3D模型。2015年，一架無人機(jī)在巴西成功創(chuàng)建了基督救世主雕像的3D圖像。在此之前，任何地方都沒有這個雕像的準(zhǔn)確模型。使用3D攝影測量基督救世主雕像，這意味著無人機(jī)必須在雕像周圍飛來飛去，拍攝數(shù)千張圖片，然后使用3D制圖軟件將它們縫合在一起。

其他3D形狀掃描技術(shù)使用專用且復(fù)雜的傳感器，例如結(jié)構(gòu)化的攝像頭/投影儀系統(tǒng)或激光測距儀。即使這些產(chǎn)生高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，它們也很昂貴并且經(jīng)常需要專家知識來進(jìn)行操作。

哈佛大學(xué)提出了一種使用ToF相機(jī)的極具成本效益的3D形狀掃描解決方案。現(xiàn)在，該解決方案是基于地面的。但是，當(dāng)安裝在無人機(jī)上時，此解決方案也將起作用。

隨著在這一領(lǐng)域的更多創(chuàng)新和投資，我們很可能會看到ToF相機(jī)成為掃描大型物體和紀(jì)念碑的經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。

③、無人機(jī)ToF傳感器用于農(nóng)業(yè)

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，裝有多光譜傳感器的無人機(jī)可以讓農(nóng)民更有效地管理作物和土壤。這些多光譜成像農(nóng)業(yè)無人機(jī)使用綠波段、紅波段、紅邊波段和近紅外波段的遙感技術(shù)，拍攝農(nóng)作物和植被的可見和不可見圖像。

多光譜傳感器的數(shù)據(jù)對預(yù)防病害、蟲害非常有用。它們還能極大地幫助農(nóng)民計算出正確的水、肥料和噴灑量。

ToF相機(jī)可以通過多種方式作為農(nóng)業(yè)多光譜解決方案的一部分。

ToF相機(jī)在快速測量體積方面表現(xiàn)出色。它們可以在一次拍攝中捕捉到完整的場景。ToF3D傳感器是測量作物密度和提供覆蓋物和糞便堆積量數(shù)據(jù)的理想選擇。

為了獲得農(nóng)作物的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，無人機(jī)飛行越穩(wěn)定，數(shù)據(jù)、圖像和膠片就越準(zhǔn)確。更平穩(wěn)的飛行可以改善數(shù)據(jù)采集過程，也有助于延長飛行自主性。

TeraRangerOne等ToF傳感器可以作為一個非常精確的反應(yīng)式高度計。與視野非常狹窄的激光系統(tǒng)相比，當(dāng)無人機(jī)在地面和藤蔓上空交替飛行時，TeraRangerToF相機(jī)可以提供更平滑、更穩(wěn)定的相對高度。

④、無人機(jī)ToF傳感器用于測量體積

FlashlidarToF相機(jī)正被用于測量體積，如工廠或倉儲環(huán)境中箱子的包裝空間。

飛行時間傳感器技術(shù)非常適合此應(yīng)用，主要有以下三個原因。與其他3D掃描技術(shù)（例如條紋圖案投影和3D激光位移傳感器）相比，它更具成本效益；與3D激光位移傳感器一樣，它不需要運(yùn)動軸即可掃描盒子；它的運(yùn)行速度高達(dá)40每秒幀數(shù)，在包裝盒填充包裝材料時提供實(shí)時的體積測量。

在戶外，安裝有ToF相機(jī)的無人機(jī)或起重機(jī)能夠測量庫存或裝滿原材料的卡車的體積。安裝有ToF相機(jī)的無人機(jī)可以飛越全部或部分存儲區(qū)域，并快速計算出材料的沉積量或卡車的總負(fù)荷。

WhitakerContracting使用帶ToF相機(jī)的無人機(jī)測量他們的庫存，每年可節(jié)省22%的成本。他們節(jié)省了大量的成本，同時測量庫存的頻率也提高了2倍。現(xiàn)在測量庫存所花費(fèi)的時間比以前減少了75%。

⑤、無人機(jī)ToF傳感器用于防撞系統(tǒng)

2016年，我們首次開始看到市場上出現(xiàn)了小型消費(fèi)和商業(yè)無人機(jī)，它們可以檢測障礙物。根據(jù)無人機(jī)、其傳感技術(shù)和軟件編程，無人機(jī)在檢測到物體時，可以采取停止和懸停的動作，也可以繞著物體導(dǎo)航。

ToF相機(jī)的眾多功能之一就是用于避障和防撞。

在研究市場上一些最新的無人機(jī)時，我可以找到3款無人機(jī)，它們使用ToF進(jìn)行避障。其中一款無人機(jī)只使用ToF攝像頭來探測無人機(jī)上方的物體。另一款無人機(jī)則是使用ToF攝像頭與其他傳感器結(jié)合來避開障礙物。

由于這是相當(dāng)新的技術(shù)，隨著更多的發(fā)展，相信未來我們會看到更多的無人機(jī)使用ToF閃光激光雷達(dá)相機(jī)傳感器進(jìn)行障礙物檢測。

⑥、無人機(jī)上的手勢識別ToF

一般來說，“3D飛行時間”用途可分為“手勢”和“非手勢”兩類。手勢應(yīng)用程序強(qiáng)調(diào)人與人之間的互動和速度。非手勢應(yīng)用則強(qiáng)調(diào)測量精度。

手勢應(yīng)用程序?qū)⑷祟惖膭幼鳎娌?，手，手指或全身）轉(zhuǎn)換為符號指令，以命令游戲機(jī)，智能電視或便攜式計算設(shè)備。

例如，可以通過揮手來完成頻道沖浪，并且可以使用手指閃爍來滾動演示。這些應(yīng)用通常需要快速的響應(yīng)時間，中低范圍，厘米級的精度和功耗。在微軟Kinect2使用時間-飛行傳感器的手勢交互。

市面上有不少無人機(jī)都有手勢模式，對于拍攝無人機(jī)自拍非常有用。大疆MavicPro和Phantom4Pro就使用了手勢模式。

大疆MavicAir采用先進(jìn)的手勢和人臉識別進(jìn)行飛行和拍攝。大疆并沒有給出太多關(guān)于他們手勢模式背后技術(shù)的細(xì)節(jié)。他們的許多自主飛行模式和避撞系統(tǒng)，結(jié)合了視覺和超聲波傳感器以及復(fù)雜的算法。

總的來說，我們會看到更多的無人機(jī)進(jìn)入市場，手勢模式和新的自主飛行模式，ToF也會發(fā)揮它的作用。

⑦、無人機(jī)ToF傳感器用于測量距離

飛行時間傳感器基于信號的發(fā)射與被物體反射后返回到傳感器之間的時間差，可以快速測量ToF傳感器與物體之間的距離。

應(yīng)用包括無人機(jī)的地面接近檢測、室內(nèi)無人機(jī)的天花板接近度檢測等。

⑧、無人機(jī)ToF傳感器用于倉儲追蹤

ToF相機(jī)可用于物體掃描和體積計數(shù)，協(xié)助我們?yōu)閭}儲提供無人機(jī)和解決方案。

比如ToF閃光激光雷達(dá)相機(jī)在Hardis集團(tuán)Eyesee無人機(jī)上的使用。

Eyesee無人機(jī)配備了機(jī)載攝像頭和室內(nèi)地理定位技術(shù)，使其能夠使用預(yù)先設(shè)定的飛行計劃進(jìn)行移動，并捕捉存儲在倉庫中的托盤的相關(guān)數(shù)據(jù)。

然后，無人機(jī)將捕捉到的圖像與其在倉庫中的位置相關(guān)聯(lián)，并將其3D位置自動轉(zhuǎn)化為物流地址（存儲位置）。

⑨、使用ToF3D深度相機(jī)的無人機(jī)攝影機(jī)

3D在電視和電影中變得非常流行。專業(yè)攝影師、電影制作人和消費(fèi)者都在尋找能夠生成3D內(nèi)容的相機(jī)，無論是視頻還是靜態(tài)照片。這種3D技術(shù)是基于ToF傳感器實(shí)現(xiàn)的。

與傳統(tǒng)相機(jī)不同的是，ToF相機(jī)不僅提供光強(qiáng)度圖像，而且還提供包含每個像素的距離測量的范圍圖，該范圍圖是通過測量光到達(dá)物體并返回相機(jī)所需的時間獲得的（飛行時間原理）。

無人機(jī)中的攝像頭在過去的幾年里有了很大的進(jìn)步。去年，市場上出現(xiàn)了一些配備4k攝像頭的無人機(jī)。還有2款帶變焦攝像頭的無人機(jī)。它們分別是WalkeraVoyager和大疆Inspire1無人機(jī)的ZenmuseZ3相機(jī)。

所以在不遠(yuǎn)的將來的某一天，我們可以期待在大多數(shù)無人機(jī)上看到3D攝影相機(jī)。

⑩、ToF傳感器在無人機(jī)及汽車中的創(chuàng)新應(yīng)用

汽車行業(yè)正在開發(fā)多種系統(tǒng)，包括一些使用閃光激光雷達(dá)飛行時間傳感器的優(yōu)秀安全系統(tǒng)。

這也是為什么我相信無人機(jī)行業(yè)會跟進(jìn)，并開始在飛行時間技術(shù)上投入更多的時間和資源。

以下是汽車行業(yè)使用ToF技術(shù)的一些創(chuàng)新。

駕駛員狀態(tài)監(jiān)測，如頭部位置檢測和睡意識別等。

乘客分類用于自主設(shè)置預(yù)先定義的乘客偏好、優(yōu)化的抬頭顯示可視化和優(yōu)化調(diào)整的安全氣囊部署力。

信息娛樂、導(dǎo)航和HVAC系統(tǒng)等的非接觸式手勢控制。

環(huán)繞視圖，用于復(fù)雜的停車輔助和障礙物檢測

例如，MLX75123Tof攝像頭傳感器是Melexis的全集成配套芯片。它完全適用于汽車和非汽車應(yīng)用，包括但不限于手勢識別、駕駛員監(jiān)控、骨骼跟蹤、人員或障礙物檢測和交通監(jiān)控。
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