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蘋果iPad Pro DTOF初探

時間：2020-06-08 已閱讀:12121次

2020年蘋果發布了新一代的iPad Pro，其中，基于TOF技術的激光雷達掃描儀是這款平板電腦的亮點，一時間引起了行業內外激烈的探討，蘋果官方宣："特制的激光雷達掃描儀利用直接飛行時間（DToF），測量室內或室外環境中從最遠五米處反射回來的光。它可從光子層面進行探測，并能以納秒速度運行，為增強現實（AR）及更廣泛的3D傳感應用領域開啟無盡可能"。究竟什么是DToF，該技術在iPad中又是如何工作的呢，未來的改進空間又在哪里，本文會帶來詳細的解讀。

DTOF，全名"Direct-Time-of-Flight"（直接飛行時間測距法），是3D深度攝像的方案之一， DTOF投射整個面，根據反射時間計算深度信息，具有測距范圍遠的特點。優勢在于針對需要一定距離測繪的應用，如人的動作識別，建筑物識別，場景識別建模等。

圖1. 蘋果對于DTOF的宣傳

DTOF（Direct Time of Flight）是一種利用直接飛行時間來進行測距的激光雷達，其測距原理為計算光脈沖從發射到與目標反彈并接收的時間，從而通過光速求出目標距離。iPad搭載的這款DTOF視角約為60°×48°。光在一個較大視場角的情況下會隨距離迅速衰減，為了保證探測距離，蘋果采用了DOE元件進行點陣發射，每個點陣覆蓋約1°×1°的范圍。

圖2. iPad DTOF發射點陣圖

iPad的DTOF分為兩種工作模式，分別為正常工作模式和省電模式，上圖2中左邊為正常工作模式，共計576個發光點，而右邊為省電工作模式，僅有144個點在同時工作。而且這些點也并不是同時都發光的，使用高速相機拍攝的情況下，不同的發光點交替發光，如下圖3所示。

圖3. iPad DTOF發射點陣瞬時圖

經過測試，發現其發光點分為四組，輪流發光，以一個單元為例，其發射順序如下圖所示：

圖4. iPad DTOF發射點陣順序圖。

圖中我們用不同的顏色標記了不同的發光順序，我們可以看到在每一行，發光的順序為1-2-1-2重復或者3-4-3-4重復的。這也是源自于特殊的VCSEL設計。據悉這款VCSEL是由Lumentum提供，整個VCSEL采用共負極設計，正極分為四個大區域，驅動信號可以分別控制這四個大區域中的一個。激光器部分的結構圖如下圖5所示：

圖5. iPad DTOF發射點陣順序圖，（圖片來源網絡）

由圖中可以看到每一排為4個發光點，分為16排，分四組，共計64個光點。然而實際中卻出現了576個光點。這是因為在發光端采用了DOE元件，在上、下、對角線三個方向分別產生了±1級的衍射，將一個發光點擴展為了9個。從下圖6可以看到，除了紅色方框內為原本的0級，±1級衍射之外，其余的光點均為DOE元件衍射的結果。

圖6. iPad DTOF發射點陣衍射圖。

對于DTOF測距，最重要的是使用多個脈沖產生一個直方圖，其工作原理大致可用下圖7解釋：

圖7. DTOF測距原理（圖片來源網絡）。

產生距離核心為生成光子計數的直方圖。而直方圖的粗細程度則直接決定了測距的精確度。當光脈沖的功率大的時候，產生的直方圖需要少量的脈沖即可，但是直方圖與原始的光強度包絡相差較大。而當光脈沖功率較小時，雖然產生一張直方圖所需要的光脈沖數量較多，但是直方圖描繪的包絡與光強本身的包絡曲線符合度較好。

在這一代的DTOF sensor上，其全局幀頻為30fps，每一幀包含8個子幀。按照前面的四組發光點，每組發光點負責兩個子幀。在每個子幀內，則為很多個脈寬約2-3ns的脈沖，每個子幀大約包含80,000個脈沖，每秒會產生約480萬個脈沖。

這里對于索尼所選擇的的脈沖數量和功率還是很有爭議的。對于SPAD來說，每個脈沖內信號光子數盡量的多才能保證每個脈沖有更大的概率被探測到。而且，脈沖數量越多，儲存直方圖所消耗的內存、傳輸直方圖消耗的帶寬都會成比例增加。這也對芯片內部的數據存儲和傳輸帶來了極大壓力，據估算，當前需要超過10Gbit/s的數據傳輸速率才能將所有的信號完整傳輸出來。既然蘋果和索尼這樣選擇，那么他們對于自己的技術也是有相當的信心的。

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