深度相機(jī)按照深度測量原理不同，一般分為：飛行時間法、結(jié)構(gòu)光法、雙目立體視覺法。本文就來說一說飛行時間法。

飛行時間是從Time of Flight直譯過來的，簡稱TOF。其基本原理是通過連續(xù)發(fā)射光脈沖（一般為不可見光）到被觀測物體上，然后接收從物體反射回去的光脈沖，通過探測光脈沖的飛行（往返）時間來計算被測物體離相機(jī)的距離。

TOF法根據(jù)調(diào)制方法的不同，一般可以分為兩種：脈沖調(diào)制（Pulsed Modulation）和連續(xù)波調(diào)制（Continuous Wave Modulation）。

飛行時間法深度測量基本原理示意圖

脈沖調(diào)制

脈沖調(diào)制方案的原理比較簡單，如下圖所示。它直接根據(jù)脈沖發(fā)射和接收的時間差來測算距離。

光脈沖法工作原理示意圖

脈沖調(diào)制方案的照射光源一般采用方波脈沖調(diào)制，這是因為它用數(shù)字電路來實現(xiàn)相對容易。接收端的每個像素都是由一個感光單元（如光電二極管）組成，它可以將入射光轉(zhuǎn)換為電流，感光單元連接著多個高頻轉(zhuǎn)換開關(guān)（下圖的G0，G1）可以把電流導(dǎo)入不同的可以儲存電荷(下圖S0，S1)的電容里。

相機(jī)上的控制單元打開光源然后再關(guān)閉，發(fā)出一個光脈沖。在同一時刻，控制單元打開和關(guān)閉接收端的電子快門。接收端接收到的電荷S0被存儲在感光元件中。

然后，控制單元第二次打開并關(guān)閉光源。這次快門打開時間較晚，即在光源被關(guān)閉的時間點(diǎn)打開。新接收到的電荷S1也被存儲起來。具體過程如下圖所示。

因為單個光脈沖的持續(xù)時間非常短，此過程會重復(fù)幾千次，直到達(dá)到曝光時間。然后感光傳感器中的值會被讀出，實際距離可以根據(jù)這些值來計算。

記光的速度為c，tp為光脈沖的持續(xù)時間， S0表示較早的快門收集的電荷， S1表示延遲的快門收集的電荷，那么距離d可以由如下公式計算：

最小的可測量距離是：在較早的快門期間S0中收集了所有的電荷，而在延遲的快門期間S1沒有收集到電荷，即S1 = 0。代入公式會得出最小可測量距離d=0。

最大的可測量的距離是：在S1中收集了所有電荷，而在S0中根本沒有收集到電荷。然后，該公式得出d= 0.5 x c × tp。因此最大可測量距離是通過光脈沖寬度來確定的。例如，tp = 50 ns，代入上式，得到最大測量距離d = 7.5m。

優(yōu)點(diǎn)：

1. 測量方法簡單，響應(yīng)較快

2. 由于發(fā)射端能量較高，所以一定程度上降低了背景光的干擾

缺點(diǎn)：

1. 發(fā)射端需要產(chǎn)生高頻高強(qiáng)度脈沖，對物理器件性能要求很高

2. 對時間測量精度要求較高

3. 環(huán)境散射光對測量結(jié)果有一定影響

連續(xù)波調(diào)制

實際應(yīng)用中，通常采用的是正弦波調(diào)制。由于接收端和發(fā)射端正弦波的相位偏移和物體距離攝像頭的距離成正比(見后面推導(dǎo))，因此可以利用相位偏移來測量距離。

連續(xù)波調(diào)制原理示意圖

連續(xù)波調(diào)制的測量原理相對脈沖調(diào)制來說復(fù)雜一些，我們以最常用的連續(xù)正弦波調(diào)制來推導(dǎo)一下測量的原理。

連續(xù)正弦波調(diào)制測量方法示意圖

連續(xù)正弦波調(diào)制測量方法，具體的推導(dǎo)過程如下。序號1-9對應(yīng)下圖的公式1-9。

1. 假設(shè)發(fā)射的正弦信號s(t)振幅是a，調(diào)制頻率是f

2. 經(jīng)過時延 △t后接收到的信號為接收r(t)，衰減后的振幅為A，強(qiáng)度偏移（由環(huán)境光引起）為B

3. 四個采樣時間間隔相等，均為T/4

4. 根據(jù)上述采樣時間可以列出四個方程組

5. 從而可以計算出發(fā)射和接收的正弦信號的相位偏移△φ

6. 據(jù)此可以根據(jù)（6）中公式計算物體和深度相機(jī)的距離d

7. 接收信號的衰減后的振幅A的計算結(jié)果

8. 接收信號強(qiáng)度偏移B的計算結(jié)果，反映了環(huán)境光

9. A, B的值間接的反應(yīng)了深度的測量精度，深度測量方差可以用公式9近似表示。

   
   

連續(xù)正弦波調(diào)制公式推導(dǎo)

優(yōu)點(diǎn)：

1. 相位偏移（公式5）中的(r2-r0)和(r1-r3)相對于脈沖調(diào)試法消除了由于測量器件或者環(huán)境光引起的固定偏差。

2. 可以根據(jù)接收信號的振幅A和強(qiáng)度偏移B來間接的估算深度測量結(jié)果的精確程度（方差）。

3. 不要求光源必須是短時高強(qiáng)度脈沖，可以采用不同類型的光源，運(yùn)用不同的調(diào)制方法

缺點(diǎn)：

1. 需要多次采樣積分，測量時間較長，限制了相機(jī)的幀率

2. 需要多次采樣積分，測量運(yùn)動物體時可能會產(chǎn)生運(yùn)動模糊。

總結(jié)

目前的消費(fèi)級TOF深度相機(jī)主要有：微軟的Kinect 2、 MESA 的 SR4000 、Google Project Tango 中使用的PMD Tech 的TOF深度相機(jī)等。這些產(chǎn)品已經(jīng)在體感識別、手勢識別、環(huán)境建模等方面取得了較多的應(yīng)用，最典型的就是微軟的Kinect 2。

TOF深度相機(jī)對時間測量的精度要求較高，即使采用最高精度的電子元器件，也很難達(dá)到毫米級的精度。因此，在近距離測量領(lǐng)域，尤其是1m范圍內(nèi)，TOF深度相機(jī)的精度與其他深度相機(jī)相比還具有較大的差距，這限制它在近距離高精度領(lǐng)域的應(yīng)用。

但是，從前面的原理不難看出，TOF深度相機(jī)可以通過調(diào)節(jié)發(fā)射脈沖的頻率改變相機(jī)測量距離；TOF深度相機(jī)與基于特征匹配原理的深度相機(jī)不同，其測量精度不會隨著測量距離的增大而降低，其測量誤差在整個測量范圍內(nèi)基本上是固定的；TOF深度相機(jī)抗干擾能力也較強(qiáng)。因此，在測量距離要求比較遠(yuǎn)的場合（如無人駕駛），TOF深度相機(jī)具有非常明顯的優(yōu)勢。