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智能iToF技术：开启高性价比3D视觉新纪元
前言导读
传统工业3D视觉深陷两难困局：要么高价换取高性能，要么牺牲精度以控制成本。智能iToF技术的崛起成功打破了这一局面。它通过片上深度处理、全局快门与高频调制等创新，在维持成本优势的同时，实现了高分辨率、复杂光照稳定性与动态物体精准捕捉。这不仅填补了市场空白，更以其易用、紧凑和可靠的特性，正崛起为苛刻工业应用中传统3D方案的强劲替代者。
现代iToF技术让3D图像处理动起来
并非每款应用都需要高端系统——但品质不应因此妥协。迄今为止，工业3D图像处理仅有两种选择：要么性能强大但价格昂贵，要么价格低廉但需在分辨率和图像质量上做出妥协.然而，新型高集成度iToF传感器凭借其高分辨率和集成实时数据处理功能，为注重成本的应用场景提供了快速、易用的精准3D技术解决方案。这是否不仅是填补市场空白的一种解决方案，更有望成为注重成本但要求严苛的3D应用的首选？
场景与物体的三维捕捉是现代工业自动化中的核心组成部分。基于图案投影的主动立体视觉等方法已被证明特别有效——尤其在需要最大细节、分辨率以及处理复杂表面结构时。基于投影的图像相关技术，此类系统即使在复杂表面上也能捕捉大量可靠图像点，从而实现精确三角测量和生成详细深度图。这意味着您始终处于基于图像的测量技术的前沿。
与此同时，飞行时间技术在近年经历了显著的成熟进程。虽然飞行时间（ToF）相机此前主要用于简单的距离测量，但由于其分辨率、测量范围或集成能力有限，在许多工业应用中仅能发挥有限的作用.有限的探测范围、较低的分辨率、对环境光的高敏感度以及无法准确检测移动物体的深度，这些因素显著限制了其实际应用。
3D入门级相机，集成深度处理功能
随着更强大的传感器架构的出现，例如onsemi推出的新型AF0130 iToF传感器，其采用背照式像素（BSI技术）、全局快门、改进的信号处理以及集成评估电子元件，使得情况发生了显著变化。新型iToF相机搭载智能像素管理技术，不仅实现了更高的深度分辨率和更远的探测距离，更能从容应对复杂光照环境。
与此同时，系统逻辑正在发生转变：传感器不再将原始数据发送至外部计算机，而是直接在芯片上执行关键处理步骤——例如计算深度图像、强度值和置信度图。这种在传感器端实现高度集成的3D处理趋势，不仅使ToF相机在当今更加强大，还显著简化了集成过程——这是迈向智能紧凑型3D视觉系统、实现广泛工业应用的关键一步。
分辨率与深度的精准度
三维测量的质量不仅取决于捕获的像素数量，更关键的是深度数据的精度。新型IDS 3D相机采用onsemi 120万像素AF0130传感器，提供高XY分辨率，可完美扫描大面积区域内的精细表面细节.然而，另一个因素对实际深度精度至关重要：光信号的调制频率，它在很大程度上决定了基于相位的飞行时间系统的精度和测量范围。与市面上的标准相机相比，onsemi可实现高达200 MHz的频率——这无疑具有显著优势。这是因为测量范围被划分为更小的区间，从而获得了更高的深度分辨率。简而言之：频率越高，相机就越能精确地检测相位位置的差异，从而更准确地测量微小的距离变化。
即使是最精细的1毫米结构，也能被IDS Nion 3D相机精准解析
另一个优势：在高频条件下，该系统对环境光干扰的敏感度降低——这对许多户外工业应用或光照条件快速变化的场景至关重要。onsemi的AF0130器件实现了高达200 MHz的调制能力，由此创造了显著的技术空间。在近距离情况下，高频可确保最高精度。另一方面，在远距离区域，频率可进行专门调整，以实现具有稳定深度分辨率的长距离探测。这种可扩展性使系统更具灵活性——相较于采用固定且通常较低调制频率的传统飞行时间传感器，这构成显著优势。
在复杂光照条件下仍能保持高图像质量
新推出的onsemi传感器另一项应用相关特性是其在940纳米近红外波段的高灵敏度——该波长范围相较于850纳米等波段，受日光干扰显著较小。IDS使用的iToF相机正是利用了这一特性，配合调谐至940纳米的激光器工作。结果：即使在复杂的光照条件下，也能实现特别高的干扰光抑制和稳定的3D测量。这使得该相机非常适合户外应用场景，在过去，直射或变化的阳光常常是户外拍摄面临的难题。
光学技术在此发挥着关键作用，确保3D相机能够充分发挥其潜力。必须使用经过专门优化以适应相机波长范围的镜头。这是确保即使在户外等复杂光照条件下，光输出和图像质量仍能保持稳定高水平的唯一途径。此外，非球面镜片可确保整个成像区域的锐度均匀，并减少光学畸变，从而显著提升图像质量，同时省去了耗时的后期校正步骤。为满足近距离与远距离的多元工业应用需求，镜头设计必须确保从近距离到远距离都能提供稳定的清晰度——无需重新对焦。
挑战——移动物体的3D数据
可靠捕捉动态场景的能力正日益成为工业3D相机应用的关键标准。这正是许多传统技术迄今为止所达到的极限所在。特别是在结构光方法或基于立体视觉的系统中，运动可能导致伪影或测量误差——例如通过多重曝光、图像模糊或图像对相关性错误。对于许多涉及动态过程、快速移动物体或传送带速度的应用场景而言，这意味着要么忍受功能限制，要么依赖复杂且昂贵的专用解决方案。
旋转的140毫米风扇轮的3D点云（左）、深度图像（中）和强度图像（右），拍摄距离为40厘米，转速为400转/分钟。
具备集成数据处理和全局快门功能的3D相机，为该领域带来了根本性的范式转变。由于深度信息是直接在设备上按像素进行采集并实时评估的，因此数据传输至PC后，许多关键的运动处理步骤已不再必要。现代传感器如AF0130，即使面对移动物体也能实现无缝3D检测，且不会影响检测精度或响应速度。这对于机器人技术、物流、包装以及持续生产中的质量保证等应用尤为有益。无需停止传送带或机器人，生产流程便能以更快的速度和更高的效率运行，从而提升生产效率。
要计算单个深度值，通常需要四个不同相位位置（通常为0°、90°、180°和270°）的协调曝光。这四个信号随后被用于计算相位差——从而测得距离。得益于其特殊的像素架构和集成式片上处理，AF0130 iToF传感器能够快速连续捕获全部四个相位图像，并将其直接完整地存储在芯片内存中——无需任何中间读出过程。这显著缩短了两次曝光之间的时间，并明显减少了运动模糊。连续阅读的另一个优势：深度信息可高效重新排序并直接进行后续处理——无需耗时的后处理.这不仅使相机更抗震动，还能实现更高的帧率并减轻主机系统的负载.这具有决定性优势，尤其在机器人技术、物流或拾取放置等动态应用中。
onsemi传感器的Hyperlux技术能够将相位图像快速采样至内部存储器，并实现完整读出，从而在运动过程中减少运动伪影.（图像来源：onsemi）
智能iToF——一项有望引领市场的技术组件
凭借Hyperlux传感器，onsemi在iToF技术发展中取得了重大里程碑。全球快门、内部存储器与片上深度处理技术的集成，有效解决了传统飞行时间系统的核心难题，例如探测距离受限、环境光敏感性及系统级延迟等问题。这使得iToF技术对那些此前依赖其他3D技术的应用场景具有吸引力。然而，仅凭强大的传感器还不足以打造出树立行业标杆的相机解决方案。决定性因素在于光学、电子、软件与系统集成之间的协同互动。
因此，onsemi特别注重与经验丰富的相机制造商开展紧密合作——例如IDS，该公司在工业3D相机市场深耕多年。由此诞生的uEye 3D相机，生动诠释了智能iToF技术如何转化为实用的整体系统。因此，iToF正日益从工业3D图像处理领域的补充方案，转变为重要的替代方案——尤其当需要易用性、高集成能力和在多变操作条件下稳定的成像结果时。
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