【導(dǎo)讀】人工智能(AI)正從虛擬云端下沉至現(xiàn)實(shí)物理環(huán)境，機(jī)器現(xiàn)在不僅要處理數(shù)據(jù)，還要實(shí)時(shí)感知、分析現(xiàn)實(shí)場景環(huán)境，并與之交互。無論是倉儲(chǔ)機(jī)器人自主導(dǎo)航、智能樓宇人員存在監(jiān)測、醫(yī)護(hù)輔助，還是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的手勢交互，全都離不開空間感知這一重要能力。
多年來，飛行時(shí)間(ToF)一直被用于消費(fèi)電子深度感知，手機(jī)相機(jī)自動(dòng)對(duì)焦和人機(jī)交互系統(tǒng)是最具代表性的ToF應(yīng)用，但是，隨著傳感器架構(gòu)、光學(xué)元件和邊緣計(jì)算技術(shù)發(fā)展進(jìn)步，ToF技術(shù)正在擴(kuò)大應(yīng)用邊界。新一代 ToF 技術(shù)不再局限于單純的測距功能，還能生成人工智能可用的空間數(shù)據(jù)，讓設(shè)備能夠自主感知周邊環(huán)境，同時(shí)符合嚴(yán)格的體積、功耗和成本限制。
從直接飛行時(shí)間(dToF)三維(3D)激光雷達(dá)模組上可以看到這一技術(shù)演進(jìn)過程，意法半導(dǎo)體的 VL53L9 dToF激光雷達(dá)模組在緊湊的封裝內(nèi)集成高分辨率深度傳感器、片上數(shù)據(jù)處理器和系統(tǒng)級(jí)集成器件。
從測距傳感器，到空間智能引擎
傳統(tǒng)飛行時(shí)間傳感器系統(tǒng)以往僅用于單點(diǎn)測距或低分辨率深度感知，雖能實(shí)現(xiàn)接近檢測，但硬件架構(gòu)的環(huán)境感知能力十分有限，僅適用于簡易的情景感知應(yīng)用。
高分辨率多區(qū) dToF 傳感器的問世徹底改寫了這一局面。新一代激光雷達(dá)模組不僅輸出測距信息，還可以生成詳細(xì)的視場深度圖。例如，ST的 dToF 模組有 54×42 個(gè)測距區(qū)，即 2268 個(gè)獨(dú)立的深度測距點(diǎn)，同時(shí)，最高拍攝幀率達(dá)到100 幀/秒，測距范圍從小于 5 厘米延長至 9 米。
該傳感器兼具更高的空間分辨率、高速拍攝能力和更長的測量距離，可以實(shí)現(xiàn)以往只有體積更大、成本更高的系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)的環(huán)境感知性能，能夠高精度識(shí)別并追蹤小物體、邊緣輪廓和移動(dòng)的目標(biāo)，在機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化、智能樓宇、健康監(jiān)測、消費(fèi)電子等領(lǐng)域開辟全新的應(yīng)用領(lǐng)域。截至目前，意法半導(dǎo)體的飛行時(shí)間傳感器出貨總量已超 30 億顆。
直接（ToF）技術(shù)至關(guān)重要
間接飛行時(shí)間iToF測距技術(shù)是通過測量紅外相位推算距離，而直接飛行時(shí)間dToF傳感器則是直接測量光子的飛行時(shí)長，在各種工況下都具備更強(qiáng)的抗干擾魯棒性，測距準(zhǔn)確度更高。
新一代 dToF 系統(tǒng)的接收電路搭載單光子雪崩二極管（SPAD）陣列，能夠捕捉單個(gè)光子信號(hào)，接收靈敏度極高。堆棧式背照(BSI) SPAD 架構(gòu)的技術(shù)突破，讓廠商得以大幅提升傳感器分辨率，同時(shí)兼顧小型化和低功耗優(yōu)勢。
本系統(tǒng)采用自研堆棧式背照 SPAD 架構(gòu)，并搭配超表面透鏡，測距準(zhǔn)確度最高1%，視場角寬達(dá) 54°×42°，模組尺寸僅 12.8 mm × 6.1 mm × 4.6 mm。
不止于深度測距：紅外成像和三維空間數(shù)據(jù)融合
從單一深度測距轉(zhuǎn)向多模態(tài)環(huán)境感知，是現(xiàn)代ToF系統(tǒng)意義最重大的發(fā)展成果之一。
高級(jí)激光雷達(dá)模組不僅提供基礎(chǔ)測距數(shù)據(jù)，還同步輸出多路傳感器的數(shù)據(jù)，涵蓋深度圖、紅外圖像、反射率信息、環(huán)境光測量數(shù)據(jù)以及測距置信度指標(biāo)。
例如，ST的 dToF 模組可輸出三維深度數(shù)據(jù)以及配套紅外圖像。深度數(shù)據(jù)與紅外圖像優(yōu)勢互補(bǔ)，提供三維結(jié)構(gòu)化視場信息，同時(shí)又能保障算力運(yùn)行效率，這個(gè)特性對(duì)于人工智能應(yīng)用具有很大的價(jià)值。RGB彩色攝像頭往往需要海量的 AI運(yùn)算，而深度數(shù)據(jù) + 紅外圖像的融合數(shù)據(jù)輸出，可以簡化目標(biāo)分割、運(yùn)動(dòng)分析和環(huán)境感知運(yùn)算。
隱私保護(hù)是ToF技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢。ToF系統(tǒng)只采集幾何輪廓信息，不識(shí)別視覺圖像細(xì)節(jié)。人員在場監(jiān)測、客流統(tǒng)計(jì)、姿態(tài)分析、人體感應(yīng)等應(yīng)用無需采集可識(shí)別身份的人像。
重新設(shè)計(jì)照明架構(gòu)
模組發(fā)射端的照明子系統(tǒng)設(shè)計(jì)依然是決定激光雷達(dá)整體性能的關(guān)鍵一環(huán)。
許多傳統(tǒng)測距系統(tǒng)采用點(diǎn)陣投射式光路架構(gòu)，依次分區(qū)掃描視場，雖適合部分應(yīng)用場景，但易產(chǎn)生感知盲區(qū)和運(yùn)動(dòng)拖影，在追蹤高速移動(dòng)物體時(shí)存在明顯短板。
新一代光路架構(gòu)正在普遍采用泛光照明技術(shù)。ST的 dToF 模組搭載雙掃描泛光照明系統(tǒng)，采用兩組雙結(jié)垂直腔面發(fā)射激光（VCSEL）發(fā)射單元，可以同時(shí)照射整個(gè)視場。該方案可以提升小物體檢測能力，減少運(yùn)動(dòng)拖影，消除感知盲區(qū)，還能同步采集同一場景的紅外圖像和深度數(shù)據(jù)。最終，輸出更純凈、完整的邊緣端能夠高效處理的空間數(shù)據(jù)。
賦能邊緣人工智能
AI 推理運(yùn)算下沉到嵌入式終端設(shè)備，是影響光學(xué)傳感器行業(yè)未來的最重要的趨勢之一。
受響應(yīng)延遲、隱私安全、網(wǎng)絡(luò)帶寬和功耗等限制，大量工業(yè)及消費(fèi)類應(yīng)用無法依靠連接云端運(yùn)行人工智能，而對(duì)用微控制器或低功耗處理器在傳感器端分析數(shù)據(jù)的需求日益提高，這促使傳感器智能化升級(jí)，直接輸出結(jié)構(gòu)化信息而非原始數(shù)據(jù)。新一代激光雷達(dá)模組集成片上處理單元，直接從傳感器端輸出AI可用數(shù)據(jù)的趨勢日趨增強(qiáng)。
在基于 STM32H5 微控制器搭建的演示系統(tǒng)中，VL53L9 模組運(yùn)行的感知分析算法每秒拍攝30 幀圖像，僅占用很少的內(nèi)存資源，讓小型嵌入式設(shè)備也能夠承載復(fù)雜環(huán)境感知任務(wù)。應(yīng)用演示包含安全區(qū)域監(jiān)控、高級(jí)人體感應(yīng)、跌倒檢測、人體姿態(tài)追蹤和手勢識(shí)別。
應(yīng)用場景不斷擴(kuò)大
高分辨率深度感知，結(jié)合小型化集成和低算力需求，讓該方案適用于各行各業(yè)。
機(jī)器人利用高精度深度圖實(shí)現(xiàn)同步定位建圖(SLAM)、避障和自主導(dǎo)航；工業(yè)系統(tǒng)利用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行體積測算、庫存監(jiān)測和機(jī)床安全防護(hù)；智能樓宇利用這項(xiàng)技術(shù)部署人員存在分析和人流監(jiān)測，同時(shí)保護(hù)用戶隱私安全；醫(yī)療應(yīng)用場景包括跌倒檢測、病患監(jiān)護(hù)；AR/VR 設(shè)備則可實(shí)現(xiàn)手勢交互、人體追蹤與手指骨架精細(xì)追蹤。
機(jī)器感知的未來
高分辨率直接飛行時(shí)間激光雷達(dá)（dToF LiDAR）的深遠(yuǎn)意義，不局限于某一類單一應(yīng)用場景，而是體現(xiàn)了一場大規(guī)模的行業(yè)轉(zhuǎn)型：從為人眼識(shí)別設(shè)計(jì)的成像技術(shù)，向?yàn)闄C(jī)器感知開發(fā)的傳感器技術(shù)的轉(zhuǎn)變。
隨著人工智能系統(tǒng)全面走進(jìn)工廠設(shè)備、樓宇設(shè)施、機(jī)器人、醫(yī)療儀器和消費(fèi)電子產(chǎn)品，傳感器僅采集數(shù)據(jù)是不行的，還需輸出有意義的場景環(huán)境信息。深度感知、紅外成像和片上處理器，結(jié)合系統(tǒng)級(jí)集成，構(gòu)成一個(gè)將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為高可靠數(shù)據(jù)的機(jī)器感知平臺(tái)。
高分辨率 dToF 激光雷達(dá)正逐步成為賦能這場行業(yè)轉(zhuǎn)型的底層核心技術(shù)，為各類邊緣設(shè)備賦予穩(wěn)定可靠的空間感知能力，使其在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中具有視覺、分析和行動(dòng)能力。
