2020年10月20日 | ToF技术赋能医疗健康监控，消除新手父母的焦虑

如果你已经是父母了，或许在孩子刚出生的阶段做过这样的事情——宝宝在睡觉，看着一动不动，你就会用手去探宝宝的鼻子，看看宝宝是不是在正常呼吸，手上有了温热的呼吸气体才会放心。一般大家管这种行为称之为“新手父母的焦虑”。如今，这一焦虑可以利用ToF技术来消除了。由ADI公司、Arrow、香港中文大学等共同完成的利用ToF技术针对健康护理产品的概念验证设计可轻松测量婴儿的胸部活动，从而计算呼吸频率，并将这些信息传输至移动设备。

ToF摄像头消除新手父母的焦虑

对于需要实时深度映射的应用来说，ToF技术越来越受青睐，应用案例包括工业安全和自动化、自动驾驶、物质检测和分类、虚拟和增强现实以及无人机。现在，我们很开心看到在消费医疗产品领域也开始采用ToF技术。据介绍，ADI这款业界首款针对健康护理产品的概念验证设计采用了ADI的 3D ToF技术。在智能传感算法的支持下，该设计展示了 3D ToF 技术的部署方式，为呼吸模式监测和微小动作检测提供高精度的，纳秒级实时传感数据。

该设计的监视器最前面采用ADI的ToF技术摄像头，在婴儿呼吸时，监视器会传输实时数据，这些数据通过自定义滤波器和增强算法，让监护人能够测量婴儿的胸部活动，移动设备会基于婴儿的呼吸频率实时刷新这些信息。此外，对于小月龄的婴儿来说，在还不能熟练翻身的情况下，趴着也有一定的危险性，该监视器也能够监测婴儿是否翻身，这一动作在移动设备中也会清晰的看到。

利用ToF技术针对健康护理产品的概念验证设计

据悉，该项概念设计将被为摩托罗拉智能育儿品牌提供物联网技术和平台服务的供应商Hubble Connected 公司采用，有了这项监视器产品，新手爸妈再也不需半夜起身用手指探婴儿的鼻息或查看宝宝是否翻身，只需拿起手边的移动设备就可了解宝宝的状态啦。

强大的ToF应用来自于每一个像素的深度信息

ToF是一个具有巨大潜力的新兴监测方式。强大的ToF应用来自于每一个像素的深度信息：ToF摄像机通过使用调制光源（例如激光或LED）主动照亮物体，然后用对激光波长敏感的传感器捕捉反射光，以此测量距离。传感器测量从摄像机发射光，到摄像机接收到发射光之间的时间延迟∆T。时间延迟与摄像机和物体之间的两倍距离（往返）成正比；因此，距离可以估算为深度 = cΔT/2，其中c表示光速。ToF相机的主要工作是估算发射光信号和反射光信号之间的延迟。目前存在多种不同的测量∆T的方法，其中连续波方法和脉冲是最为常用的两种方法。

简单的ToF测量示意图

连续波方法采用周期调制信号进行主动发光，然后对接收到的信号进行零差解调，以测量反射光的相移；在脉冲方法中，光源发出一系列N 个激光短脉冲，这些脉冲被反射回带有电子快门的传感器，该传感器能够在一系列短时间窗口中进行曝光。相对于应用，两种ToF方法都有各自的优缺点，选择哪种方法的ToF系统需要考虑的问题包括：测量距离、使用系统的环境、精度要求、热/功耗限制、外形大小以及电源问题。值得注意的是，目前市场上得到广泛应用的绝大多数连续波ToF系统都使用CMOS传感器，脉冲ToF系统则使用非CMOS传感器（主要是CCD）。

高性能模拟前端解决ToF应用关键技术挑战

ADI的ToF技术属于脉冲ToF CCD系统，使用高性能ToF CCD和集成了12位ADC、深度处理器（将来自CCD的原始模拟图像信号处理成深度/像素数据），以及高精度时钟发生器（为CCD和激光器生成驱动时序）的TOF模拟处理前端ADDI9036。时序发生器的精确时序内核支持在45 MHz时钟频率下按照大约174 ps分辨率调整时钟和LD输出。

ADI ToF系统功能框图

与其它解决方案相比，ADI的ToF系统具备以下优点：第一，使用了分辨率为640×480的ToF图像传感器，其分辨率比市面上大部分其他ToF解决方案的分辨率高4倍；第二，使用了对940nm波长高度灵敏的传感器。

我们都知道环境光会显著降低反射信号的信噪比，特别是在强烈的环境光下。940nm激光器已经变得很普遍，因为这种波长在太阳光光谱中占据了一席之地，在该光谱中，光子通量的幅度相对较低。ADI ToF系统使用对940nm光敏感的ToF CCD，因此能够在室外环境或具有强环境光的区域采集到更多的有效信号。下图显示的示例中，在户外使用三个不同的深度测量系统来测量距离。值得注意的是，使用850 nm光源的CMOS ToF系统很难分辨出人与三脚架，而ADI的CCD ToF系统却能够清晰地分辨出两者。

户外图像的深度图比较

结论

ToF 传感器技术可以精确投射仅持续数纳秒的受控激光，这些激光之后从场景中反射到高分辨率图像传感器，从而可以对这个图像矩阵中的每个像素给出深度估值。ToF相机更是凭借更小的外形尺寸、更宽的动态感测范围以及在多种环境下工作的能力，已经成为深度测量的首选方法。ADI正在设计、生产和销售一个新的产品系列，其中包括3D ToF成像器、激光驱动器、基于软件和硬件的深度系统，这些产品将提供市场上出色的深度分辨率，精度可以达到毫米级。特别是基于Microsoft Azure Kinect技术的CMOS ToF产品，将为工业4.0、汽车、游戏、增强现实、计算摄影和摄像等领域中广泛的受众提供领先的解决方案。