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A debate about advantages disadvantages between ITOF & DTOF

Time:2020-08-08 Reading times:5280

前言

       自从人类诞生以来,距离信息就是人类孜孜不倦的追求。然而测距方法在很长时间内并没有产生巨大的发展。生活在公元前的古代数学家们通过三角法第一次估算了地球和太阳的距离,虽然结果和现代科学的测量相差甚远,然而这一方法却通过一代一代的加以改进,一直沿用至今。从古埃及人测量金字塔的高度,一直到使用地球公转轨道测定恒星距离,使用了几千年的三角测距并没有什么理论上的突破,而仅仅只是在测量的工具上越来越精密,规模越来越宏大。

       进入20世纪,随着电子与无线电技术的发展,一个完全不同于三角测量法的测距原理浮出水面,进入了人们的视野,即,飞行时间测距。这里的飞行时间并不仅仅代表光,可以是声音,无线电波等一切可以运动的物体,如果你喜欢,可以用车,子弹或者弹球也可以。使用声音飞行时间测距的物体是声纳或者B超,无线电波飞行时间测距的是雷达,而采用光的飞行时间来测距的的就是激光雷达了(Lidar)。

       Lidar又被称为飞行时间测距TOF(Time-of-Flight),因为目前主要的测距原理仍然是利用光束或者光脉冲从探测设备上发射之后,经过目标反射,再返回到接收端的飞行时间来完成对于距离的测量。就原理上来说分为两种:DTOF(Direct time of flight)和ITOF(Indirect time of flight)。我们也可以望文生义地直接得到这两种方法的原理,DTOF就是直接测量光信号一来一回的时间,从而计算出距离;而ITOF则是通过某些与飞行时间相关的物理量,从而反推出飞行时间,如四相位法。

       你以为我又要老调重弹地从技术角度写一篇DTOF和ITOF之间孰优孰劣的文章了?今天我们换一种方式,下面我将设想一个场景,从用户的角度来看看到底我们需要什么样的TOF。


人物介绍

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 第1回   

3D江湖烽烟起,潜龙在渊待机腾

       热闹的商业街上有一个名为"三维传感"的店铺,这个店铺开张了好几十年,但看起来一直没什么顾客,只偶尔有几个穿军装或西装的人直接进到后面的大户室,很久才会出来。店铺的招牌也不怎么新,门口的小二常年在店门口坐着有一搭没一搭的玩着手机。

       但是近些日子,这家店的人流似乎渐渐多了起来,每个月来送一次茶叶的茶铺掌柜上周就来了两三次。甚至有几次,店里已然坐不下了,小二飞奔到隔壁的摄影器材店借了一大摞凳子,让大家在门口坐了一排,又奉上茶水零食,弄得像海底捞一样,蔚为壮观。

       一日,大家似乎不约而同地来到了店里,店里的艾掌柜和狄掌柜跑出来笑嘻嘻的迎接大家,都希望给自己销售的产品招揽更多的客户,一个劲的把大家往店里迎。

       "我要做3D成像!" 不知道谁大喊了一声。

       "我也要!","我也要!" 应答的声音此起彼伏。

       "我要体积小的!","我要看得远的!","我要功耗低的!"人群中你一句我一句的叫了起来。

       "可以","没问题",艾掌柜和狄掌柜忙不迭地应答。"一个一个来,说说你们的需求我来给你们建议"。

       "我要小巧轻便的放在手机里!"一个人从人群中走出来,带着的帽子上画着只被咬了一口的苹果。

       "我和他一样!"另一个人也走上前来,他的衣服上画了一朵菊花,随后又补充了一句:"还得便宜。"

       "没问题!"两位掌柜齐声回答。他们又相互看了一眼之后,艾掌柜抢先开口了:"我们ITOF像素做的小,即使像素数量比他们DTOF做得多一两个数量级,芯片面积也还是比较小的,当然便宜,而且我们主要采用模拟信号处理,数据带宽压力也不大。不像他们,SPAD像素输出之后就几乎全是数字电路了,用模拟的180nm/130nm/65nm工艺做那么一大堆数字电路和RAM,我看着都浪费"

       狄掌柜也不甘示弱,说道:"我们以后用了Stacking工艺可以减小芯片面积,成本也会下降,甚至我们以后可以考虑用7nm工艺做数字部分,像素还是使用65nm工艺,算下来成本还不知道谁比较低呢。"狄掌柜环顾四周,继续说道"我们DTOF技术,利用SPAD阵列做单光子检测,功耗低,发热小,省电,哪怕只有一个光子也能触发雪崩,产生脉冲信号。还可以根据不同像素的使用情况灵活开启或者关闭不同的像素,从发射端到接收端都比你们ITOF的功耗低!你看他们柜台的ITOF,发光功率就比我的高了不少,还看不远,用了那么多光,浪费了不少的电不说,结果还是个近视眼。"

       人群中爆发出一阵阵哄笑,大家又都向狄掌柜的柜台挤了又挤。

       "那你为什么不说你的分辨率低呢?"艾掌柜反唇相讥。"你说什么三万像素,最后不还是靠发射光的576个光点来成像,你说你的分辨率到底是三万还是576?"

       狄掌柜脸色一黑,转过头来,"分辨率,分辨率是可以提升的,我以后多打一些光点不就可以了吗?客官你过几个月再来,我就可以做到几千甚至上万个发光点了,这个分辨率您满意吗?"

       "我现在就已经有QVGA分辨率的了,你什么时候能做到7万多发光点啊?客官您要是过几个月来,我能给你VGA分辨率甚至1080p的!等他们家做到上万分辨率你可是要等到花都谢了。"艾掌柜斜了狄掌柜一眼,阴阳怪气的说。

       "等你做到1080p不还是个近视眼?"狄掌柜不甘示弱。"我现在可以满足5-7m的测距,过一阵子我轻轻松松就可以提升到10-20m的距离,你行吗?还1080p?你的产品想看那么远,怕不是要发射好几瓦的光哦,你是想让用户变成瞎子吗?"

       "你们DTOF技术,遇到比较强的背景光,你们就只能当瞎子了,你们干脆改名叫夜猫子TOF好了。"艾掌柜忙不迭的一句一句说。

       "你们能对抗中午的太阳吗?"狄掌柜一脸的狐疑,"我们目前技术对抗一下1~2万lux的阳光还是没问题的,你们要对抗不了10万lux,就别吹牛啦,做人,还是要敬畏一下中午的太阳的!"

        "我们也可以抗大背景光啊,只要降低滤光片滤光的带宽,像素再做小一些,另外降低每个像素对应视场角,这不就可以了吗,我们可是单光子检测技术,再微弱的信号也能检测到,动辄大几十米上百米的测距范围,动态范围要求很高的,你们行吗?"狄掌柜看起来并不相让。

       艾掌柜并不慌张,缓缓说道:"我使用折叠积分技术,有多少背景光都不怕,而且就算信噪比再差,我们也可以通过增加积分时间来将真正的回波信号找出来,我们的动态范围也可以达到90dB以上。你说的滤光片我们也可以用啊,又不是只你一家。说到降低像素尺寸,我们已经在做3.6μm的像素了,你们还在10μm上下徘徊,做的再小有我们小吗?你不说我还忘了,你们的分辨率实际上是点阵的数目,要么就得线扫,一个分辨率低,一个可能降低帧频,你还是考虑一下怎么解决分辨率的问题吧。"

       此话一出,似乎是戳到了狄掌柜的软肋,他沉默了一阵,脸上微微泛红。又说道:"你们像素小,还要积分,本来就发的是方波,要想测得远,发射光得多大功率啊,你这不叫3D成像装置,干脆叫定向激光武器吧,哦对了,还能当电暖气用。"

       "我,我也有别的技术提升测距啊,本来不想告诉你的,你既然说到这里了,我就不妨说出来。我这有个叫飞芯电子的团队发明了一种方法,可以测到200m以上呢,也依然使用的是我们ITOF的技术,你可别太骄傲。"艾掌柜反唇相讥,"而且我们的技术抗背景光和同类设备干扰的能力比你们强太多了,我们用伪随机编码,抗干扰能力不知比你们高到哪里去了。"

       这时,围观群众有人起哄,高声喊道"别东扯西扯了,二位掌柜,说点实际的吧!你们的测距精度如何啊?"

       这句话似乎提醒了狄掌柜,"我们DTOF的测距精度非常好,可以做到厘米级以内,而且我们的测距精度只和TDC的精度相关,别说1m,10m,还是100m,绝对误差基本不变。不像他们家的,"说到这狄掌柜斜着眼瞅了一眼艾掌柜,"离得越远精度越差!说起来都只敢说<1%,你要是测100m的距离,误差不得到1m去了?我们DTOF的精度就与目标距离关系不大, 100m距离上我有10cm的精度,按照你的算法,那我岂不是可以说我自己的精度误差<0.1%。另外,你们ITOF的多路径烦恼,我们可没有。"

       "这么看,还是狄掌柜的DTOF效果好多了!"人群中有人高喊,随后也出现了很多附和的声音。

       "别说你们没有多路径,用DTOF去检测一块玻璃后的东西,测出来的距离到底是到玻璃还是到后面的东西?"艾掌柜不慌不忙的反击道,"你能说得清楚吗?"

       "这个问题很快就能解决,很快,我们正在努力研究中,再有几个月就能解决了。" 狄掌柜又看向艾掌柜,"你们多路径问题怎么办?"

       "你们要几个月,那我们也只需要几个月。"狄掌柜环顾四周,"只希望大家给我们俩相同的机会,不要厚此薄彼。"

       "几个月,说好了哦!" 周围围着的人群对着发出一阵哄笑,"人家狄掌柜的产品在这个方面可是天然优于你们的啊"。艾掌柜看起来有些不好意思了。

       这时,从后面踱步走出一位戴着眼镜穿着长衫的先生,说道,"大家安静一下,他们说的那些问题,我这里都能克服,我的技术既能测距又能测速,动态范围足够大,发射光功率还小。搭配上我独有的发射方式,不需要任何机械部件,想对哪里测距都可以,纯固态,低功率,大视场角,还可以对感兴趣的区域精细扫描,你们说我这个技术好不好啊?"

       这时周围寂静的空气中爆发出了一阵哄笑,"连掌柜,你又来推销连续光调频相干测距和光相控阵收发技术了?之前好几个大掌柜给了你好多钱做研发,还没弄出来吗?"

       "明年一定让大家用上!"连掌柜扶了扶眼镜,抖了一下长衫,不紧不慢地说。

       人群中又是一阵哄笑,"一年又一年,你这是第几个明年一定了啊?"

       "岂敢岂敢,我这次是真的!" 连掌柜向后缩去。艾掌柜连忙上来打圆场,"大家别急,连掌柜不是那跑路的人,大家现在的需求可以先找我们满足,一个一个来,我这里的货物种类比较多,大家看看有没有什么能用上的,尽管拿去试试 "。

       "那我要一组小号的ITOF,装在手机上,这样子可以用来人脸识别解锁手机,还可以用来进行AR应用。" 衣服上画着菊花的男子拿了一个样品和一张名片走了,同时人群中也有几个人响应。

       "我不介意功耗,也不介意发热,我只要分辨率,我是做工业3D成像的,就是要看的越清楚越好,我家的工业相机都要装上ITOF,给我来个分辨率最大的!"又一个人走上前来,拿走了一款较大的ITOF模组,说道"流水线上不在乎省那一瓦两瓦电的,但是就是要看得清楚,锱铢必现,Lucid is what we are seeking for." 说完转身离去。

       "我们做井下工作的要求不太高,煤矿的铲车和挖煤机能够对齐就好,别沥沥啦啦的满地漏小煤渣,还得派人清理,还有安全隐患,我看你这ITOF挺好,全视场覆盖,不留一点死角,不像狄掌柜他们家的,一下子看不全,还得扫来扫去。"一名工程师模样的人也拿走了一个ITOF模组,转身离去,出了大门后掏出了安全帽,坐上了车。

       又来了一些人在艾掌柜这里选择了想要的ITOF测距模组,转身离去,店里还剩下了几个人。艾掌柜看了看他们,说道:"你们想要点啥吗?"

       这几个人看了看艾掌柜柜台上的东西,又看了看狄掌柜柜台上的东西,说道:"我们做点智能家电,扫地机器人,智能门锁这样的,觉得你们两家各有各的优点,我们都想试试。"

艾掌柜连忙说道:"欢迎欢迎!我给你们我们的样品和说明书!"转头去看狄掌柜,结果发现狄掌柜已经没影了,VIP室的门虚掩着,艾掌柜忙走进去招呼狄掌柜,告诉他外面还有客人等着他呢。狄掌柜已经脱掉了外套,里面的T恤胸前印着"SONY"几个英文字母,他刚准备从椅子上站起来,只见沙发上坐着的年轻人站了起来,拉住正欲离开的狄掌柜,又捡起来放在茶几上的绣着被咬掉一口苹果的帽子,说:"狄掌柜的货,我们全部承包了,让外面那群人自己想办法去吧"。

       (欲知后事如何,且听下回分解)


知识点梳理 

       这篇小文用对话的形式讲述了DTOF和ITOF对用户端的优劣势,对话内容皆为作者脑补,如有雷同纯属巧合。

       抛去内部的技术细节,单纯从用户端的角度出发,我们还是通过一个表格对于上文中零散的ITOF和DTOF的优劣进行一下比较吧。在选用的时候还是需要根据自己实际需求来选择,而不是盲目跟风。



ITOF

DTOF

分辨率

高(VGA+,甚至1080p)

低,取决于点阵数量/扫描方式

测距距离

远(200m+)

极远(300m+)

距离分辨率

高,随距离增加而增加

高,不随距离增加而增加

空间分辨率

低,取决于点阵数量/扫描方式

抗背景光能力

抗干扰能力

低,特别无法应对饱和干扰

多路径/串扰问题

严重

一般

发射光平均功率

总功耗

输出数据带宽

平均每个像素数据带宽

中,取决于算法

片内数据压力

算法矫正压力

多传感器融合难度