安森美引领3D视觉技术革新：从2D到3D的转变

视觉技术正在经历从2D到3D的重大转变。事实上，3D空间计算的概念早在15至20年前就已经被提出。近年来，随着3D传感器、人工智能（AI）、大数据以及机器人过程自动化等领域的快速发展，我们能够实现更加实时且精确的3D目标检测。这不仅极大地提升了机器人在物体识别、检测、分拣等方面的能力，还加强了它们在视觉定位/导航及有效避障等方面的性能。安森美（onsemi）即将推出的iToF（间接飞行时间）产品，为3D应用领域带来了革新性的选择。

3D相机的设计难点

过去数十年中，2D成像技术有了长足的发展，分辨率从几十万像素发展到现在的上亿像素，色彩还原更真实，逆光环境下也能通过HDR技术提升图像质量。然而，2D图像仅能够提供纹理（色彩）信息，无法提供实现更精准识别、追踪等功能所需的空间形貌、几何尺寸、位姿等信息。

3D视觉技术相对于2D技术提供了更丰富的被摄目标信息，可以在六个自由度（x、y、z、旋转、俯仰、横摆）上定位被摄目标，还原人眼视角的三维立体世界。基于3D视觉传感器采集的信息，不但有纹理（色彩）信息，还增加深度信息，即视场内的空间几何尺寸信息。这样围绕着物体、空间扫描一圈，就能得到点云图和精准的1:1还原的3D模型。这些信息作为输入，应用场景会大为增多，性能也会大幅提升。

目前市场上的3D相机产品主要是双目相机、结构光相机、ToF相机，每种设计都有其局限性。例如，双目相机在低照度下精度不佳，面对特征点少的平坦墙壁也存在挑战，对计算能力要求较高；结构光则需要复杂的光源系统，测量距离偏短；ToF则存在多路径反射，分辨率普遍较低，在室外阳光下存在挑战。各种挑战归纳如下：

镜头选型设计：工程师在开发过程中会遇到镜头选型设计的难点，比如景深、光圈、角度、畸变、MTF、成本之间的平衡，往往为了一个最佳的产品需要进行镜头的定制。

体积与功耗：在AGV/AMR等移动设备上，双目相机的设计往往还需要考虑体积，需要选择芯片封装较小且高性能的GS图像传感器芯片，2颗芯片的控制和输出需要严格同步。同时，双目相机在组装精度方面也有较高的要求。由于是电池应用，对于低功耗的需求也是非常重要的。

电源与驱动电路设计：在进行ToF产品设计时，电源设计以及VCSEL驱动电路设计往往会存在挑战，如何确保VCSEL能达到满意的反光功率是需要重点考虑的问题，存在一版不成功需要改版的风险。

内参校正：iToF相机的内参校正硬件治具设计和方案也是工程师比较头疼的地方。

ToF技术的特点

ToF技术通过发射和反射光信号之间的时间延迟来测量，给定固定的光速。为了精确地测量时延，经常使用短光脉冲。这种技术与3D激光传感器原理基本类似，只不过3D激光传感器是逐点扫描，而ToF相机则是同时得到整幅图像的深度信息。

ToF技术的特点包括：

鲁棒性高：与结构光方式相比，ToF并不需要对光的图案做复杂解析，只需要反射回来即可，这大大提高了鲁棒性，深度信息还原度比结构光好很多，点云的完整性更好。

抗干扰能力强：深度图质量要高于结构光，抗强光的干扰能力也更强一些，精度也要更高一些。但对于玻璃，是光技术的死穴，只能靠其他技术来弥补。

速度高但精度有限：ToF速度高，但精度只有毫米级。ToF技术的难度较高，成本也较高。

dToF与iToF：ToF分为dToF和iToF。dToF和iToF在传感器原件上的区别是：iToF是使用CMOS工艺开发的图像传感器，而dToF需要使用单光子雪崩二极管（SPAD）的传感器。dToF有长距离与抗干扰性的特点，较适用于长距离的量测。而iToF由于有成本与空间图像分辨率的优势，很适合AI应用。由于iToF除了对于距离与空间的重现具有高度的可靠度外，还有分辨率的优势，近年发展很快。iToF之所以流行，因为相比于结构光、多目等3D感知方案，iToF是相对简单的。

安森美的解决方案

安森美提供了一套全面的解决方案，以支持3D视觉技术的发展。对于每款传感器，安森美都会提供一份推荐镜头选型表，涵盖了市场上常用的镜头选项，并且能够根据客户需求进行镜头定制及性能测试评估。除了提供高性能的图像传感器芯片外，安森美还提供了详尽的参考设计文档和应用手册，帮助客户简化设计流程，缩短产品开发周期。安森美的图像传感器支持多种相机同步模式，并且在功耗控制方面优于同类产品。特别地，针对主流应用场景，安森美都进行了PRISM模组的设计与生产，使得客户可以直接采购这些预先集成好的模组，从而大大节省了开发成本和时间。

此外，为了解决市场上iToF产品普遍存在的分辨率低、测量距离短以及抗阳光干扰能力弱的问题，安森美即将推出全新的1.2 M 像素的iToF产品。该小尺寸（1/3英寸）的背照式（BSI）全局快门传感器内置了深度计算模块，可以直接输出深度信息。内部缓存机制有效减少了运动物体产生的伪影。其特有的Smart iToF模式加上940nm波长下超过40%的QE，即使在室外强光条件下也能保持良好的测量精度。更重要的是，其采用了简化的校准方法，无需复杂的移动治具即可完成校正，这不仅降低了开发成本，也提高了生产效率。在3D传感技术的加持下，未来机器视觉将朝向3D视觉方向不断发展和精进。安森美将通过不断更新的创新性解决方案，为3D视觉技术的应用提供强有力的支持。