自動(dòng)駕駛中常提的ToF是個(gè)啥？

[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號(hào)]ToF的全名是Time-of-Flight，即“飛行時(shí)間測(cè)距”。想理解它其實(shí)很容易，發(fā)一束光，等光從物體反射回來，傳感器通過接收到的信號(hào)判斷物體與傳感器之間的距離，就是ToF。ToF輸出的是物理意義上的“距離”，不是通過圖像推理出來的估計(jì)值。這一點(diǎn)決定了它在很多應(yīng)用里會(huì)被當(dāng)作一個(gè)很直接、可靠的深度來源。

ToF常被應(yīng)用到能輸出“深度圖”的相機(jī)，或者做成單點(diǎn)/點(diǎn)陣測(cè)距器。深度圖里每個(gè)像素都有一個(gè)距離值，拿到這樣的數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)不需要再通過復(fù)雜的推斷就能知道哪兒離車近、哪兒離車遠(yuǎn)。ToF的實(shí)現(xiàn)方式也是多樣的，同樣應(yīng)用ToF的設(shè)備在用途和表現(xiàn)上可能差別很大。

ToF的兩種常見實(shí)現(xiàn)與不同

實(shí)現(xiàn)ToF的技術(shù)路線主要有兩類思路，它們?cè)谠砗凸こ虒?shí)現(xiàn)上各有側(cè)重，理解這兩種差異有助于判定在哪些場(chǎng)景下選哪種方案更合適。

第一種是把光源做連續(xù)調(diào)制，通過接收端測(cè)量返回光和發(fā)射光之間的相位差，借此推算距離。這類實(shí)現(xiàn)更容易做成像素化的深度相機(jī)，也就是能在畫面上每個(gè)像素輸出深度信息，所以在近中距離的場(chǎng)景里常見于需要高幀率深度圖的應(yīng)用。第二種實(shí)現(xiàn)是發(fā)短脈沖，直接記錄光子被檢測(cè)到的絕對(duì)時(shí)間，這種方式更貼近傳統(tǒng)激光測(cè)距的思路，適合做遠(yuǎn)距離單點(diǎn)或點(diǎn)陣式測(cè)量。

簡(jiǎn)單理解這兩種方式，前者更像是“給整張畫面做深度”，適合近距成像；后者更像是“把一束光往前打，精確記錄回來的時(shí)間”，在遠(yuǎn)距精度上占優(yōu)勢(shì)。

兩條路線在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上常會(huì)互補(bǔ)。有的系統(tǒng)在車身周圍多個(gè)位置同時(shí)用不同類型的ToF傳感器，各司其職；也有產(chǎn)品把兩者融合成混合方案，既輸出大范圍深度圖又提供若干高精度測(cè)點(diǎn)，用于關(guān)鍵位置的距離校驗(yàn)。

在自動(dòng)駕駛里的典型用途和局限

ToF在車載系統(tǒng)里使用的其實(shí)非常多。它擅長(zhǎng)近中距離的深度獲取，特別適合那些對(duì)實(shí)時(shí)性和逐像素深度有需求的場(chǎng)景。比如泊車、低速擁堵路段的人車識(shí)別、側(cè)向盲區(qū)的快速距離判斷、以及車內(nèi)駕駛員姿態(tài)和乘員檢測(cè)等場(chǎng)景，都是ToF發(fā)揮價(jià)值的常見場(chǎng)合。

ToF雖然有明顯優(yōu)勢(shì)，但也有不可回避的局限，因此在設(shè)計(jì)自動(dòng)駕駛方案時(shí)要把這些限制考慮進(jìn)去并做出補(bǔ)償。

ToF的有效距離和穩(wěn)定性受限于發(fā)射功率、接收器靈敏度以及被測(cè)表面的反射特性。黑色、吸光材料或透明、鏡面材料可能導(dǎo)致返回光弱或發(fā)生散射，使得讀數(shù)失真或完全沒有返回。強(qiáng)日光場(chǎng)景下，太陽光在近紅外波段會(huì)增加背景噪聲，降低信噪比，導(dǎo)致白天遠(yuǎn)距性能下降。

某些ToF傳感器還會(huì)出現(xiàn)“模糊”或“環(huán)繞”問題，這意味著單一測(cè)量在某些情況下可能產(chǎn)生周期性的不確定性，需要通過多頻或序列化的設(shè)計(jì)來擴(kuò)展可用距離范圍。

多路徑反射也是ToF傳感器會(huì)遇到的挑戰(zhàn)，光在復(fù)雜道路環(huán)境中可能發(fā)生多次反射，得到的返回信號(hào)混合了多條路徑，會(huì)引起錯(cuò)誤的深度值。溫度漂移、像素間不一致和出廠校準(zhǔn)誤差在長(zhǎng)期運(yùn)行中也必須通過溫補(bǔ)與在線自校準(zhǔn)來管理。

最后的話

ToF是個(gè)能直接給出距離信息的有力工具。它適合處理近中距、弱紋理或低光條件下的感知任務(wù)，能明顯提高某些場(chǎng)景下的魯棒性。要讓它發(fā)揮最大效用，工程上需要進(jìn)行正確的選型、做足標(biāo)定與溫度補(bǔ)償、處理好與其他傳感器的融合關(guān)系，并設(shè)計(jì)好置信度與降級(jí)策略。

ToF其實(shí)不是一個(gè)單獨(dú)的傳感器，而是一種測(cè)距的辦法。如激光雷達(dá)、ToF相機(jī)，甚至一些車內(nèi)的感知模組等很多設(shè)備可能都在用這個(gè)思路，只不過形式不同，它的好處在于能給系統(tǒng)直接的距離數(shù)據(jù)。對(duì)自動(dòng)駕駛來說，這種“真實(shí)距離”很重要，尤其在泊車、低速避障、車內(nèi)監(jiān)測(cè)這些場(chǎng)景里，能讓車更快、更準(zhǔn)地反應(yīng)。