目前市面上3D Sensing共有三种主流技术：结构光、双目立体视觉以及ToF，相比前两种技术，ToF具有受环境影响小、帧率高、检测距离远，算法开发难度低等特点，非常适合在AR眼镜中进行应用。

01　　ToF的工作原理

ToF是“Time of Flight”的简称，也叫飞行时间测距法。原理是通过向目标物体打光，测量光在镜头和物体之间传输的时间来测距，从而获悉画面里每个物体的距离，获取深度图，进而直接绘制出立体图像，最终达成3D立体深度感应。一个完整的ToF系统如图1所示：

图 1  ToF原理框图

根据测量/计算距离时是否直接获取时间差和相位差，可分为直接（Direct）方法的DToF和间接（Indirect）方法的IToF。

本文主要阐述基于调制信号为正弦波的IToF，该类型ToF的Transmitter（发射器）一般采用940nm波长的红外LED或者激光VCSEL（Vertical-cavity Surface-emitting Laser）来发射高性能脉冲光，脉冲目前可达到100MHz。

图 2  IToF原理图

利用发射光信号与反射光信号的相位变化进行距离测量，每帧数据可接收4个不同相位图，分别是0°，90°，180°和270°，每个相位的积分时间一般是200uS-1000uS。如图2所示，第一个信号为发射波形，第二个信号为反射波形，C1、C2、C3、C4是4次采样对应的窗口。发射的光束照到目标物体上发生反射，通过Receiver array（接收器）接收，根据4相位图计算相位差，再由相关公式计算出深度信息。

0２　　ＡＲ眼镜中ToF的硬件设计问题

AR眼镜本身需要轻量化。电池容量以及放电能力都相对有限，而ToF的总体功耗相对较高，因此在有限的条件下，实现ToF的性能最大化较为困难。

除ToF平均功耗外，影响最大的是ToF光源的瞬时工作电流，因为高频率大电流的开关信号，对整个系统的电源影响较大。在ToF工作时，可以明显测得电源的输入电压被拉低，易使波谷达到系统的欠压保护点，测量结果如图4所示。

从图4中可以明显看出波谷处被拉低接近1V，为了解决这个问题，需要增加大容量的电容滤波，提高电压效率，优化电路设计，将其相关的电压单独隔离处理，以免影响到其他功能模块。

注：CH1黄色：电池两端电压；CH2绿色：VCSEL的供电电压；CH3紫色：AR眼镜头戴部分总电源入口；CH4红色：VCSEL供电电源输出端口电流。
　

　0３　　ＡＲ中ToF的功耗

AR眼镜中ToF的功耗主要分为两大部分：感光芯片的功耗和光源部分的功耗。

1. ToF感光芯片的功耗（以Sony IMX316为例）

2. ToF光源（VCSEL）部分的功耗

测试光源部分的功耗相对困难，因为光源部分工作频率比较高，以IMX316为例，设置为双频20&100MHz模式，每个相位的积分时间t设置其范围为200-1000uS，占空比D为30%-50%，帧率F为15-120fps，那么光源的平均功耗P = 4 * V * I * t * D / F。

测试位置如图5所示，左边是调制信号开通的回路，右边是信号关断的回路。可以测得20MHz部分为1.866V/1.67A，100MHz部分为1.833V/1.6A，那么总功耗约为204.7mw。

综上，AR眼镜应用ToF时存在的功耗问题主要分为两个方面：瞬时功耗和平均功耗。

0４　　降低ToF的解决方法简述

据实际研究，在ToF应用中可从以下三个层面探索降低ToF功耗的解决方案：

1. ToF自身特性层面：

可通过单双频模式，VCSEL发射功率、积分时间等参数的优化进行。

2. 应用层面：

根据场景需求适时降低ToF工作帧率、不同场景下VCSEL工作数量、深度数据截取以减少数据处理量、异构平台联合工作（DSP/ARM异构平台）等方面进行优化。

3. 系统层面：

可单独设计ToF系统供电模块，与其他器件避免同时开启，设计不同器件的工作时序，减低整体设备功耗峰值。根据远近不同场景，通过HAL、AP、ALG联动动态配置频率大小、单双频模式以及驱动电流等参数。

以上三种解决方案详情敬请期待S-Dream Lab《AR中的ToF系列》（二）与（三）

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