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ToF是Time ofFlight的縮寫，直譯為飛行時(shí)間，通過(guò)給目標(biāo)連續(xù)發(fā)送光脈沖，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過(guò)探測(cè)這些發(fā)射和接收光脈沖的飛行（往返）時(shí)間來(lái)得到目標(biāo)物距離。

這種技術(shù)跟3D激光傳感器原理基本類似，只不過(guò)3D激光傳感器是逐點(diǎn)掃描，而TOF相機(jī)則是同時(shí)得到整幅圖像的深度信息。TOF相機(jī)與普通機(jī)器視覺(jué)成像過(guò)程也有類似之處，都是由光源、光學(xué)部件、傳感器、控制電路以及處理電路等幾部單元組成。

與同屬于非侵入式三維探測(cè)、適用領(lǐng)域非常類似的雙目測(cè)量系統(tǒng)相比，TOF相機(jī)具有根本不同3D成像機(jī)理。雙目立體測(cè)量通過(guò)左右立體像對(duì)匹配后，再經(jīng)過(guò)三角測(cè)量法來(lái)進(jìn)行立體探測(cè)，而TOF相機(jī)是通過(guò)入、反射光探測(cè)來(lái)獲取的目標(biāo)距離獲取。

TOF技術(shù)采用主動(dòng)光探測(cè)方式，與一般光照需求不一樣的是，TOF照射單元的目的不是照明，而是利用入射光信號(hào)與反射光信號(hào)的變化來(lái)進(jìn)行距離測(cè)量，所以，TOF的照射單元都是對(duì)光進(jìn)行高頻調(diào)制之后再進(jìn)行發(fā)射，脈沖可達(dá)到100MHz。

當(dāng)前市面上已有的ToF相機(jī)技術(shù)大部分是基于連續(xù)波（continuous wave)強(qiáng)度調(diào)制方法，還有一些是基于光學(xué)快門的方法，原理略有不同。分別的原理如下圖所示：


基于光學(xué)快門的方法的原理非常簡(jiǎn)單，發(fā)射一束脈沖光波，通過(guò)光學(xué)快門快速精確獲取照射到三維物體后反射回來(lái)的光波的時(shí)間差t，由于光速c已知，只要知道照射光和接收光的時(shí)間差，來(lái)回的距離可以通過(guò)公示d = t/2· c。 此種方法原理看起來(lái)非常簡(jiǎn)單，但是實(shí)際應(yīng)用中要達(dá)到較高的精度仍具有很大的挑戰(zhàn)，如控制光學(xué)快門開(kāi)關(guān)的時(shí)鐘要求非常高的精度，還要能夠產(chǎn)生高精度及高重復(fù)性的超短脈沖，照射單元和TOF傳感器都需要高速信號(hào)控制，這樣才能達(dá)到高的深度測(cè)量精度。 假如照射光與ToF傳感器之間的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生10ps的偏移，就相當(dāng)于1.5mm的位移誤差。

另一種已有的基于連續(xù)波強(qiáng)度調(diào)制的ToF工作原理如下：


發(fā)射一束照明光，利用發(fā)射光波信號(hào)與反射光波信號(hào)的相位變化來(lái)進(jìn)行距離測(cè)量。其中，照明模組的波長(zhǎng)一般是紅外波段，且需要進(jìn)行高頻率調(diào)制。ToF感光模組與普通手機(jī)攝像模組類似，由芯片，鏡頭，線路板等部件構(gòu)成，ToF感光芯片每一個(gè)像元對(duì)發(fā)射光波的往返相機(jī)與物體之間的具體相位分別進(jìn)行錄，通過(guò)數(shù)據(jù)處理單元提取出相位差，由公式計(jì)算出深度信息。該芯片傳感器結(jié)構(gòu)與普通手機(jī)攝像模組所采用的CMOS圖像傳感器類似，但更復(fù)雜一些，它包含調(diào)制控制單元，A/D轉(zhuǎn)換單元，數(shù)據(jù)處理單元等，因此ToF芯片像素比一般圖像傳感器像素尺寸要大得多，一般20um左右。也需要一個(gè)搜集光線的鏡頭，不過(guò)與普通光學(xué)鏡頭不同的是這里需要加一個(gè)紅外帶通濾光片來(lái)保證只有與照明光源波長(zhǎng)相同的光才能進(jìn)入。由于光學(xué)成像系統(tǒng)不同距離的場(chǎng)景為各個(gè)不同直徑的同心球面，而非平行平面，所以在實(shí)際使用時(shí)，需要后續(xù)數(shù)據(jù)處理單元對(duì)這個(gè)誤差進(jìn)行校正。ToF相機(jī)的校正是生產(chǎn)制程中必不可少的最重要的工序，沒(méi)有校正工序，ToF相機(jī)就無(wú)法正常工作。


TOF 相機(jī)目前的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：
物流行業(yè)：通過(guò) TOF 相機(jī)迅速獲得包裹的拋重（即體積），來(lái)優(yōu)化裝箱和進(jìn)行運(yùn)費(fèi)評(píng)估；
安防和監(jiān)控：進(jìn)行 Peoplecounting 確定進(jìn)入人數(shù)不超過(guò)上限；通過(guò)對(duì)人流或復(fù)雜交通系統(tǒng)的counting，實(shí)現(xiàn)對(duì)安防系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析設(shè)計(jì)；敏感地區(qū)的檢測(cè)對(duì)象監(jiān)視；機(jī)器視覺(jué)：工業(yè)定位、工業(yè)引導(dǎo)和體積預(yù)估；替代工位上占用大量空間的、基于紅外光進(jìn)行安全生產(chǎn)控制的設(shè)備；
機(jī)器人：在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域提供更好的避障信息；機(jī)器人在安裝、質(zhì)量控制、原料揀選應(yīng)用上的引導(dǎo)；
醫(yī)療和生物：足部矯形建模、病人活動(dòng)/狀態(tài)監(jiān)控、手術(shù)輔助、面部3D 識(shí)別；
互動(dòng)娛樂(lè)：動(dòng)作姿勢(shì)探測(cè)、表情識(shí)別、娛樂(lè)廣告


優(yōu)點(diǎn)：
1.相對(duì)二維圖像，可通過(guò)距離信息獲取物體之間更加豐富的位置關(guān)系，即
區(qū)分前景與后景；
2.深度信息依舊可以完成對(duì)目標(biāo)圖像的分割、標(biāo)記、識(shí)別、跟蹤等傳統(tǒng)應(yīng)用；
3.經(jīng)過(guò)進(jìn)一步深化處理，可以完成三維建模等應(yīng)用；
4.能夠快速完成對(duì)目標(biāo)的識(shí)別與追蹤；
5.借助 CMOS 的特性，可獲取大量數(shù)據(jù)及信息，對(duì)復(fù)雜物體的姿態(tài)判斷極為有效；
6.無(wú)需掃描設(shè)備輔助工作
缺點(diǎn)：
1.相對(duì)于普通數(shù)碼相機(jī)，其造價(jià)仍然偏高，影響該產(chǎn)品目前的普及使用率；
2.相機(jī)本身仍然受到硬件發(fā)展的限制，更新?lián)Q代速度較快；
3.測(cè)量距離較常規(guī)測(cè)量?jī)x器短，一般不超過(guò) 10 米；
4.測(cè)量結(jié)果受被測(cè)物性質(zhì)的影響；
5.大多數(shù)機(jī)器的測(cè)量結(jié)果受外界環(huán)境干擾較為明顯，尤其是受外界光源干擾；
6.分辨率相對(duì)較低；
7. 系統(tǒng)誤差及隨機(jī)誤差對(duì)結(jié)果影響明顯，需要進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理。

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