ToF传感器能成为物联网传感器的新宠吗？

本文来源:物联传媒

本文作者:Vior．Liu

ToF传感器火了。

从去年开始,一票传感器厂商和手机厂商的目光都投向了ToF传感器。直到今年,英飞凌、AMS等传感器厂商,以及苹果、华为、三星等手机厂商仍在不断推进ToF传感器的技术和应用升级,可以推测,ToF传感器不仅是火了,它已经来了。

虽然大厂们都在做,从原理来看,ToF其实也并不是什么高高在上的技术,简单来说它就是通过红外发射器发射调制过的光脉冲,遇到物体反射后,用接收器接收反射回来的光脉冲,并根据光脉冲的往返时间计算与物体之间的距离。根据原理来看,ToF技术早期的应用相对简单,就是用来测距。

但是,随着ToF技术的应用不断拓宽,ToF传感器进入人们的视野主要是智能手机和平板领域,并且主要集中在3D ToF图像传感器,由于ToF传感器目前最主要的是应用在成像领域,所以本文仅讨论ToF图像传感器。

3D识别的新宠儿,

物联网应用潜力巨大

无论是哪一家手机厂商,最新的几款智能手机配备的摄像头数量至少有2个,可谓是在摄像头数量上下足了功夫,这似乎也是厂商近些年能够在手机上能做的为数不多的创意了,很多用户认为多摄像头仅仅是厂家用于提升拍照性能,但是事实并非如此。

在ToF传感器逐渐成为智能手机标配的时候,多摄像头的目的就逐渐浮出水面,可用于多场景的识别应用,例如前置及后置镜头用于手势识别或者安全支付的脸部3D辨识,以及AR/VR也是ToF在3D感知上的应用方向。

根据图1 ,IHS Markit的数据显示, 2019年,ToF传感器在3D光学市场上的市场规模超过5亿美元,并且通过占比越来越高,虽然与双目和结构光等方案的相比,ToF属于后期之秀,但是从趋势来看,平分秋色,甚至超越,可能也只是时间问题。

图1

图2

从图2可以看到,目前ToF传感器在细分领域的市场份额,主要还是以消费电子和汽车为主。

但是我们注意到ToF图像传感器除了在消费电子上仍然有很大的应用前景,其在物联网领域潜力也具有被挖掘的潜力。从图1的ToF传感器市场占比来看,紧随智能手机和平板市场之后的是楼宇检测、智能家居、汽车中控、无人机等领域。

拥有如此广泛的应用场景,得益于ToF图像传感器相比于结构光和双目RGB的优点:实时地快速地计算物体的深度信息,且深度计算不受物体表面灰度特征的影响,深度计算精度不会随距离改变而变化,基本上可以保证厘米级的精度,尤其适用于一些大范围距离变化且高速的应用场合。

加上是主动光源束,所以在光源不伤害人眼的情况下,ToF传感器理论上的最远探测距离可以达到100m,且可以调节光源灵活切换需求距离。另外,ToF传感器抗干扰能力和成本优势也比较明显。

根据上述ToF传感器的特性优势,笔者认为ToF传感器能够大范围应用于物联网领域,并且更适用于物联网碎片化的场景需求,其灵活性更大。

具体来说,在物联网场景中,智能家居、智慧安防、智慧零售、人流监控,ToF传感器用于识别和跟踪人体,不仅仅是现在的认脸模式,通过深度信息可以提高识别准确度;在自动驾驶/ 车内感知领域,ToF 传感器也可以成为车载激光雷达、车内人体识别、车内手势识别的重要元器件等。目前,也有不少企业将ToF传感器植入AGV和机器人手臂当中,用于精准导航和实时避障。

总体来说,对于以前不具备深度信息的2D识别技术,ToF传感器能够很大程度上增加识别维度,提升识别的安全性、全面性和准确性。

"新生"的ToF传感器所面临的机遇和挑战

虽说,ToF传感器的特性展示出良好的物联网领域应用场景,但是目前市场还没有铺开来。笔者认为其中最大的阻碍是,ToF传感器的功耗和分辨率的劣势。由于使用主动光源,所以在功耗上,ToF传感器目前并不符合物联网对于硬件低功耗的需求。

另外,受限于深度信息捕捉,ToF方案需要投射的点越多越好,而目前ToF探测器每秒钟只能测量大约1亿个测量值,这将现有的ToF系统的分辨率限制在厘米级。

所以,从ToF技术本身上来解决多场景应用的问题,功耗和分辨率是绕不开的障碍。不过,换一种思维问题或许有了转机。

从分辨率和功耗上来看,加入AI似乎成为了突破ToF技术瓶颈的一种可能性方法。由于3D ToF的影像分辨率远不及现有的RGB双目技术,所以可以利用人工智能算法将RGB和ToF两种影像信息的同步,缩小2D+3D影像同步所需要分辨率间的差距,弥补ToF在物体边缘所缺少的深度信息。

目前,国内在AI芯片或者NPU的研发获得了长足进步,将两者与ToF搭配使用来代替通用主处理器,可以明显降低整体功耗,而且还能进一步降低成本。如果将AI与ToF融合研发,将会帮助ToF进一步突破技术瓶颈,延伸出更多的应用场景。

当然,对于物联网来说,功耗低是刚需,但是分辨率的需求可能更加灵活,很多ToF传感器厂商也在高成本的基础上推出了ToF高分辨率方案,但是下游模组和终端厂商能够抛弃高成本这个因素值得考量。所以ToF传感器在物联网的实际应用中仍处于初步阶段,相关的问题也会存在,但在3D识别领域,ToF将会凭借其优异的特性成为主流方案之一。