【導(dǎo)讀】飛行時間 (ToF) 是一種主動式 3D 成像技術(shù)，通過測量由相機(jī)發(fā)射的光脈沖在被測物體反射后返回所需的時間來計算距離。根據(jù)時間以及光速，可以計算出光脈沖傳播的距離，從而得出目標(biāo)物體與相機(jī)之間的距離。
與其他 3D 技術(shù)相比，ToF 具有多項優(yōu)勢：它能夠在低光照環(huán)境下穩(wěn)定工作，對無紋理場景具有良好的適應(yīng)性，而且計算距離圖像所需的計算負(fù)載較低。此外，由于其延遲極低，ToF 非常適用于需要實時決策的應(yīng)用場景。盡管如此，這項技術(shù)仍可能受到各種偽影（Artifacts）的影響，因此需要謹(jǐn)慎處理，以減輕甚至避免這些問題。
運(yùn)動偽影 Motion Artifact
ToF 系統(tǒng)需要多個相位（圖像）來計算目標(biāo)距離，通常至少需要兩個相位；如果需要補(bǔ)償環(huán)境光，則需要三個相位；有時甚至需要四個或更多相位。若用于采集這些相位的傳感器一次只能捕獲一個相位，而場景中又存在移動物體，那么這些物體在不同相位圖像中的位置將不一致。當(dāng)多個相位被組合起來計算距離圖像時，就會產(chǎn)生運(yùn)動偽影。其結(jié)果是，物體不僅會出現(xiàn)形狀失真，還會顯示在錯誤的距離位置上。如果應(yīng)用需要通過多次采集來實現(xiàn) HDR（高動態(tài)范圍）成像，也會出現(xiàn)類似現(xiàn)象。采用多儲存單元（Multi-Tap）傳感器（理想情況下其儲存單元數(shù)量與算法所需相位數(shù)量相同），并結(jié)合非破壞性讀出 HDR 技術(shù)，可以解決這一偽影問題。
混疊偽影 Aliasing Artifact
當(dāng)飛行時間超過光源發(fā)射周期時，就會出現(xiàn)這種偽影。在這種情況下，傳感器可能接收到來自其他調(diào)制周期的光信號，但無法判斷該光信號屬于哪個周期。結(jié)果是，位于“X + 一個對應(yīng)于光發(fā)射周期距離模值”位置的物體，會被錯誤地識別為位于距離“X”處，從而導(dǎo)致 3D 深度圖或相關(guān)點云中的測量誤差。增加發(fā)射周期可以擴(kuò)大這一模值距離范圍，但同時會降低測量精度，因此必須在兩者之間進(jìn)行權(quán)衡。使用多頻率技術(shù)是解決混疊偽影的方法之一，但會加劇運(yùn)動偽影問題。而采用具有靈活占空比（Duty Cycle）的傳感器，則可以通過解耦最大測量距離（與光發(fā)射周期相關(guān)）和距離消歧能力來解決這一問題。
干擾偽影 Interferences Artifact
當(dāng)多個 ToF 相機(jī)同時工作時，一臺系統(tǒng)發(fā)出的光可能被另一臺系統(tǒng)接收到，從而擾亂后者接收到的相位信息，導(dǎo)致計算結(jié)果失真并產(chǎn)生錯誤的距離測量。這種現(xiàn)象被稱為干擾偽影。通常，解決這一問題的方法是采用時分復(fù)用（Time-Multiplexing）技術(shù)。然而，這種方法實現(xiàn)復(fù)雜，并且通常需要不同系統(tǒng)之間通過有線方式進(jìn)行連接。另一方面，采用具備專門多系統(tǒng)管理功能的傳感器或系統(tǒng)，則有助于減輕這一偽影帶來的影響。
3D 飛行時間技術(shù)正越來越廣泛地應(yīng)用于機(jī)器人、物流、檢測以及尺寸測量等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，因為它能夠在高幀率和低延遲的前提下提供優(yōu)異的精度和準(zhǔn)確性。其高度靈活性使其能夠勝任多種復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用，并因此區(qū)別于其他競爭技術(shù)。與任何技術(shù)一樣，ToF 技術(shù)也需要在不同性能指標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡。每一項優(yōu)勢背后都可能伴隨著某些局限。然而，上述偽影問題必須盡可能避免，因為錯誤的距離測量可能導(dǎo)致自主移動機(jī)器人（AMR）發(fā)生碰撞，或使協(xié)作機(jī)器人（Cobots）對人員造成傷害。
在 ToF 技術(shù)中，圖像傳感器的重要性甚至超過許多其他 3D 系統(tǒng)。采用專為 ToF 應(yīng)用設(shè)計的傳感器，例如 Teledyne e2v 的 Hydra3D+，能夠確保最終系統(tǒng)具有更強(qiáng)的偽影抑制能力，從而有效抵御上述問題。此外，憑借 HiRho 技術(shù)，Hydra3D+ 還能在戶外環(huán)境中提供更優(yōu)異的性能表現(xiàn)。
作者：Yoann Lochardet，Teledyne Vision Solutions
*本文最初發(fā)表在：《Electronics for Engineers》2026 年 2 月刊
