手機(jī)已經(jīng)成為了人類器官的延伸。它拓展了我們信息獲取和處理的能力，它是我們的第二對(duì)耳朵、第二雙眼睛。

但是在過去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，手機(jī)這雙“眼睛”看到的都是一個(gè)平面的世界，而3D視覺技術(shù)，可以很好的解決這個(gè)問題，讓手機(jī)從平面視覺到立體視覺，目前行業(yè)中三種主流的3D視覺方案為：雙目立體視覺方案、3D結(jié)構(gòu)光方案、TOF方案，下面是3D視覺方案對(duì)比。

最近蘋果發(fā)布了新款 iPad Pro，最主要的硬件升級(jí)并非身后的“浴霸雙攝”，而是攝像頭旁搭載的dToF激光雷達(dá)，iPad Pro因此成為了蘋果 ToF技術(shù)的首發(fā)平臺(tái)。

iPad Pro上所搭載的激光雷達(dá)（Light Detection And Ranging）其實(shí)和手機(jī)上采用的ToF攝像頭都屬于雷達(dá)技術(shù)，以飛行時(shí)間距離（TIme of Flight，飛行時(shí)間）捕捉 3D 圖像。主要原理是利用雷達(dá)發(fā)射光波，光波遇到不可穿透物體會(huì)發(fā)生反射，通過記錄反射光到達(dá)接收器的時(shí)間，便能快速計(jì)算出光源與物體的距離，由此便得到一張被測(cè)物體的 3D 圖像。

但是，不同的雷達(dá)發(fā)射的光波都不一樣，所獲得的圖像分辨率和清晰度也有差別。

手機(jī)通常采用的 ToF 技術(shù)選用的雷達(dá)波長(zhǎng)，發(fā)射的也屬于紅外面光源，接收到的是深度平面信息，成像精度有限，仍然無法捕捉高精度動(dòng) 3D 圖像。而iPad Pro 選用的激光雷達(dá)，其發(fā)射的是脈沖紅外激光，接收單點(diǎn)位置，形成點(diǎn)云圖后再變成三維模型，精度更高。

▲ TOF 相機(jī)工作原理

▲通過ToF獲得的物體距離和深度信息圖

此外，激光雷達(dá)發(fā)射的光波存在兩種調(diào)制方式：直接飛行時(shí)間（Direct-ToF）測(cè)量和間接飛行時(shí)間（Indirect-ToF）測(cè)量，直接測(cè)距，是通過發(fā)射、接收光并測(cè)量光子飛行時(shí)間，直接計(jì)算確定距離，而非直接測(cè)距iToF，是通過測(cè)量發(fā)射波形和接收波形間的相位差來?yè)Q算，從而確定距離，直接測(cè)距擁有響應(yīng)快、功耗低等優(yōu)勢(shì)。

dToF 和 iToF 的原理區(qū)別主要在于發(fā)射和反射光的區(qū)別。dToF 的原理比較直接，即直接發(fā)射一個(gè)光脈沖，之后測(cè)量反射光脈沖和發(fā)射光脈沖之間的時(shí)間間隔，就可以得到光的飛行時(shí)間。而 iToF 的原理則要復(fù)雜一些。在 iToF 中，發(fā)射的并非一個(gè)光脈沖，而是調(diào)制過的光。接收到的反射調(diào)制光和發(fā)射的調(diào)制光之間存在一個(gè)相位差，通過檢測(cè)該相位差就能測(cè)量出飛行時(shí)間，從而估計(jì)出距離。

iToF的（indirect TIme of flight，間接ToF）技術(shù)。所謂間接ToF，并不是直接測(cè)量光發(fā)射返回的時(shí)間，而是根據(jù)相位偏移來間接計(jì)算距離。

眾所周知，光具有波粒二象性，也就是說我們可以通過發(fā)射光和返回光的相位偏差，和收發(fā)的時(shí)間進(jìn)行函數(shù)運(yùn)算，來獲得具體的距離。例如激光發(fā)射器可以發(fā)射850nm的調(diào)制紅外光，反射回來濾片過濾之后接收的自然也就是調(diào)制紅外光。

具體計(jì)算方法比較復(fù)雜，這里就不進(jìn)行闡述，但基本的測(cè)量指標(biāo)只有幾個(gè)基本要件：光發(fā)射的振幅、頻率，而反射回來的光要經(jīng)過四個(gè)快門的判定，以此來得出時(shí)延、衰減后的振幅以及強(qiáng)度偏移（環(huán)境光），最后就可以計(jì)算出相位偏移，而加上環(huán)境光影響的強(qiáng)度偏移，可以得出距離。

之所以iToF設(shè)立如此繁雜的機(jī)制，歸根結(jié)底是因?yàn)橛欣谛⌒突?。如今的手機(jī)上的iToF的芯片像素可以小到5um，以此來實(shí)現(xiàn)較高的分辨率（現(xiàn)在可以做到640*480左右）。并且系統(tǒng)容易集成，不需要額外的測(cè)量電路。不過這種運(yùn)算方式，需要高幀率圖像進(jìn)行運(yùn)算，功耗不小。

而相比之下，dToF的原理就簡(jiǎn)單多了，和手機(jī)廠商一開始和我們“科普”的一樣。dToF只需要發(fā)射脈沖波，然后光反射回來被接收，只要計(jì)算光發(fā)射和返回的時(shí)間，自然就可以計(jì)算距離了。

在具體的實(shí)現(xiàn)上，dToF 相較于 iToF 來說難度要大許多。dToF 的難點(diǎn)在于要檢測(cè)的光信號(hào)是一個(gè)脈沖信號(hào)，因此檢測(cè)器對(duì)于光的敏感度比需要非常高。常見的 dToF 傳感器實(shí)現(xiàn)是使用 SPAD （single-photon avalanche diode，單光子雪崩二極管）。

此外，從讀出電路來看，dToF 需要能分辨出非常精細(xì)的時(shí)間差（通常使用 TIme-to-digital converter，TDC 來實(shí)現(xiàn)）。例如如果需要實(shí)現(xiàn) 1.5cm 的測(cè)距精度，則 TDC 的分辨率需要達(dá)到 10ps，這一點(diǎn)并不容易。

以上關(guān)于 dToF 和 iToF 的對(duì)比是針對(duì)傳統(tǒng)的技術(shù)而言。隨著近幾年深度傳感器和 LiDAR 的發(fā)展，dToF 也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。從光傳感器像素來看，dToF 目前也可以使用 CMOS 工藝實(shí)現(xiàn)，并且已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)不錯(cuò)的 2D 分辨率。

在5G時(shí)代到來之際，5G除了會(huì)帶來極高的網(wǎng)速之外，還會(huì)促進(jìn)部分生態(tài)發(fā)展成熟，這其中就包括AR。從技術(shù)角度講，AR結(jié)合未來體感技術(shù)的加持，將為用戶打造“真實(shí)的虛擬世界”。而這，很可能將使AR在5G時(shí)代煥發(fā)出新的活力，成為5G時(shí)代的一個(gè)全新增長(zhǎng)點(diǎn)。

蘋果iPad Pro用的就是DToF，而華為Mate30、vivo NEX等機(jī)型用的是iToF。DToF相比于iToF在性能上要好很多，但在生產(chǎn)工藝上也更復(fù)雜。由于采用DToF方法，iPad Pro背部的激光雷達(dá)將能解決直接測(cè)距面臨的低時(shí)間分辨率難題，達(dá)ps（皮秒）級(jí)時(shí)間分辨率，精度也不會(huì)隨距離拉遠(yuǎn)有大的衰減。iPad Pro的ToF相機(jī)性能將提升的不是一點(diǎn)半點(diǎn)，它帶來了一顆進(jìn)化版的ToF鏡頭，AR體驗(yàn)的精準(zhǔn)度、流暢度將大大提高，功耗也會(huì)大大降低。

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