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前言

       自從人類誕生以來，距離信息就是人類孜孜不倦的追求。然而測距方法在很長時間內并沒有產生巨大的發展。生活在公元前的古代數學家們通過三角法第一次估算了地球和太陽的距離，雖然結果和現代科學的測量相差甚遠，然而這一方法卻通過一代一代的加以改進，一直沿用至今。從古埃及人測量金字塔的高度，一直到使用地球公轉軌道測定恒星距離，使用了幾千年的三角測距并沒有什么理論上的突破，而僅僅只是在測量的工具上越來越精密，規模越來越宏大。

       進入20世紀，隨著電子與無線電技術的發展，一個完全不同于三角測量法的測距原理浮出水面，進入了人們的視野，即，飛行時間測距。這里的飛行時間并不僅僅代表光，可以是聲音，無線電波等一切可以運動的物體，如果你喜歡，可以用車，子彈或者彈球也可以。使用聲音飛行時間測距的物體是聲納或者B超，無線電波飛行時間測距的是雷達，而采用光的飛行時間來測距的的就是激光雷達了（Lidar）。

       Lidar又被稱為飛行時間測距TOF（Time-of-Flight），因為目前主要的測距原理仍然是利用光束或者光脈沖從探測設備上發射之后，經過目標反射，再返回到接收端的飛行時間來完成對于距離的測量。就原理上來說分為兩種：DTOF（Direct time of flight）和ITOF（Indirect time of flight）。我們也可以望文生義地直接得到這兩種方法的原理，DTOF就是直接測量光信號一來一回的時間，從而計算出距離；而ITOF則是通過某些與飛行時間相關的物理量，從而反推出飛行時間，如四相位法。

       你以為我又要老調重彈地從技術角度寫一篇DTOF和ITOF之間孰優孰劣的文章了？今天我們換一種方式，下面我將設想一個場景，從用戶的角度來看看到底我們需要什么樣的TOF。

人物介紹

 第1回   

3D江湖烽煙起，潛龍在淵待機騰

       熱鬧的商業街上有一個名為"三維傳感"的店鋪，這個店鋪開張了好幾十年，但看起來一直沒什么顧客，只偶爾有幾個穿軍裝或西裝的人直接進到后面的大戶室，很久才會出來。店鋪的招牌也不怎么新，門口的小二常年在店門口坐著有一搭沒一搭的玩著手機。

       但是近些日子，這家店的人流似乎漸漸多了起來，每個月來送一次茶葉的茶鋪掌柜上周就來了兩三次。甚至有幾次，店里已然坐不下了，小二飛奔到隔壁的攝影器材店借了一大摞凳子，讓大家在門口坐了一排，又奉上茶水零食，弄得像海底撈一樣，蔚為壯觀。

       一日，大家似乎不約而同地來到了店里，店里的艾掌柜和狄掌柜跑出來笑嘻嘻的迎接大家，都希望給自己銷售的產品招攬更多的客戶，一個勁的把大家往店里迎。

       "我要做3D成像!" 不知道誰大喊了一聲。

       "我也要！"，"我也要！" 應答的聲音此起彼伏。

       "我要體積小的！"，"我要看得遠的！"，"我要功耗低的！"人群中你一句我一句的叫了起來。

       "可以"，"沒問題"，艾掌柜和狄掌柜忙不迭地應答。"一個一個來，說說你們的需求我來給你們建議"。

       "我要小巧輕便的放在手機里！"一個人從人群中走出來，帶著的帽子上畫著只被咬了一口的蘋果。

       "我和他一樣！"另一個人也走上前來，他的衣服上畫了一朵菊花，隨后又補充了一句："還得便宜。"

       "沒問題！"兩位掌柜齊聲回答。他們又相互看了一眼之后，艾掌柜搶先開口了："我們ITOF像素做的小，即使像素數量比他們DTOF做得多一兩個數量級，芯片面積也還是比較小的，當然便宜，而且我們主要采用模擬信號處理，數據帶寬壓力也不大。不像他們，SPAD像素輸出之后就幾乎全是數字電路了，用模擬的180nm/130nm/65nm工藝做那么一大堆數字電路和RAM，我看著都浪費"

       狄掌柜也不甘示弱，說道："我們以后用了Stacking工藝可以減小芯片面積，成本也會下降，甚至我們以后可以考慮用7nm工藝做數字部分，像素還是使用65nm工藝，算下來成本還不知道誰比較低呢。"狄掌柜環顧四周，繼續說道"我們DTOF技術，利用SPAD陣列做單光子檢測，功耗低，發熱小，省電，哪怕只有一個光子也能觸發雪崩，產生脈沖信號。還可以根據不同像素的使用情況靈活開啟或者關閉不同的像素，從發射端到接收端都比你們ITOF的功耗低！你看他們柜臺的ITOF，發光功率就比我的高了不少，還看不遠，用了那么多光，浪費了不少的電不說，結果還是個近視眼。"

       人群中爆發出一陣陣哄笑，大家又都向狄掌柜的柜臺擠了又擠。

       "那你為什么不說你的分辨率低呢？"艾掌柜反唇相譏。"你說什么三萬像素，最后不還是靠發射光的576個光點來成像，你說你的分辨率到底是三萬還是576？"

       狄掌柜臉色一黑，轉過頭來，"分辨率，分辨率是可以提升的，我以后多打一些光點不就可以了嗎？客官你過幾個月再來，我就可以做到幾千甚至上萬個發光點了，這個分辨率您滿意嗎？"

       "我現在就已經有QVGA分辨率的了，你什么時候能做到7萬多發光點啊？客官您要是過幾個月來，我能給你VGA分辨率甚至1080p的！等他們家做到上萬分辨率你可是要等到花都謝了。"艾掌柜斜了狄掌柜一眼，陰陽怪氣的說。

       "等你做到1080p不還是個近視眼？"狄掌柜不甘示弱。"我現在可以滿足5-7m的測距，過一陣子我輕輕松松就可以提升到10-20m的距離，你行嗎？還1080p？你的產品想看那么遠，怕不是要發射好幾瓦的光哦，你是想讓用戶變成瞎子嗎？"

       "你們DTOF技術，遇到比較強的背景光，你們就只能當瞎子了，你們干脆改名叫夜貓子TOF好了。"艾掌柜忙不迭的一句一句說。

       "你們能對抗中午的太陽嗎？"狄掌柜一臉的狐疑，"我們目前技術對抗一下1~2萬lux的陽光還是沒問題的，你們要對抗不了10萬lux，就別吹牛啦，做人，還是要敬畏一下中午的太陽的！"

        "我們也可以抗大背景光啊，只要降低濾光片濾光的帶寬，像素再做小一些，另外降低每個像素對應視場角，這不就可以了嗎，我們可是單光子檢測技術，再微弱的信號也能檢測到，動輒大幾十米上百米的測距范圍，動態范圍要求很高的，你們行嗎？"狄掌柜看起來并不相讓。

       艾掌柜并不慌張，緩緩說道："我使用折疊積分技術，有多少背景光都不怕，而且就算信噪比再差，我們也可以通過增加積分時間來將真正的回波信號找出來，我們的動態范圍也可以達到90dB以上。你說的濾光片我們也可以用啊，又不是只你一家。說到降低像素尺寸，我們已經在做3.6μm的像素了，你們還在10μm上下徘徊，做的再小有我們小嗎？你不說我還忘了，你們的分辨率實際上是點陣的數目，要么就得線掃，一個分辨率低，一個可能降低幀頻，你還是考慮一下怎么解決分辨率的問題吧。"

       此話一出，似乎是戳到了狄掌柜的軟肋，他沉默了一陣，臉上微微泛紅。又說道："你們像素小，還要積分，本來就發的是方波，要想測得遠，發射光得多大功率啊，你這不叫3D成像裝置，干脆叫定向激光武器吧，哦對了，還能當電暖氣用。"

       "我，我也有別的技術提升測距啊，本來不想告訴你的，你既然說到這里了，我就不妨說出來。我這有個叫飛芯電子的團隊發明了一種方法，可以測到200m以上呢，也依然使用的是我們ITOF的技術，你可別太驕傲。"艾掌柜反唇相譏，"而且我們的技術抗背景光和同類設備干擾的能力比你們強太多了，我們用偽隨機編碼，抗干擾能力不知比你們高到哪里去了。"

       這時，圍觀群眾有人起哄，高聲喊道"別東扯西扯了，二位掌柜，說點實際的吧！你們的測距精度如何啊？"

       這句話似乎提醒了狄掌柜，"我們DTOF的測距精度非常好，可以做到厘米級以內，而且我們的測距精度只和TDC的精度相關，別說1m，10m，還是100m，絕對誤差基本不變。不像他們家的，"說到這狄掌柜斜著眼瞅了一眼艾掌柜，"離得越遠精度越差！說起來都只敢說<1%，你要是測100m的距離，誤差不得到1m去了？我們DTOF的精度就與目標距離關系不大， 100m距離上我有10cm的精度，按照你的算法，那我豈不是可以說我自己的精度誤差<0.1%。另外，你們ITOF的多路徑煩惱，我們可沒有。"

       "這么看，還是狄掌柜的DTOF效果好多了！"人群中有人高喊，隨后也出現了很多附和的聲音。

       "別說你們沒有多路徑，用DTOF去檢測一塊玻璃后的東西，測出來的距離到底是到玻璃還是到后面的東西？"艾掌柜不慌不忙的反擊道，"你能說得清楚嗎？"

       "這個問題很快就能解決，很快，我們正在努力研究中，再有幾個月就能解決了。" 狄掌柜又看向艾掌柜，"你們多路徑問題怎么辦？"

       "你們要幾個月，那我們也只需要幾個月。"狄掌柜環顧四周，"只希望大家給我們倆相同的機會，不要厚此薄彼。"

       "幾個月，說好了哦！" 周圍圍著的人群對著發出一陣哄笑，"人家狄掌柜的產品在這個方面可是天然優于你們的啊"。艾掌柜看起來有些不好意思了。

       這時，從后面踱步走出一位戴著眼鏡穿著長衫的先生，說道，"大家安靜一下，他們說的那些問題，我這里都能克服，我的技術既能測距又能測速，動態范圍足夠大，發射光功率還小。搭配上我獨有的發射方式，不需要任何機械部件，想對哪里測距都可以，純固態，低功率，大視場角，還可以對感興趣的區域精細掃描，你們說我這個技術好不好啊？"

       這時周圍寂靜的空氣中爆發出了一陣哄笑，"連掌柜，你又來推銷連續光調頻相干測距和光相控陣收發技術了？之前好幾個大掌柜給了你好多錢做研發，還沒弄出來嗎？"

       "明年一定讓大家用上！"連掌柜扶了扶眼鏡，抖了一下長衫，不緊不慢地說。

       人群中又是一陣哄笑，"一年又一年，你這是第幾個明年一定了啊？"

       "豈敢豈敢，我這次是真的！" 連掌柜向后縮去。艾掌柜連忙上來打圓場，"大家別急，連掌柜不是那跑路的人，大家現在的需求可以先找我們滿足，一個一個來，我這里的貨物種類比較多，大家看看有沒有什么能用上的，盡管拿去試試 "。

       "那我要一組小號的ITOF，裝在手機上，這樣子可以用來人臉識別解鎖手機，還可以用來進行AR應用。" 衣服上畫著菊花的男子拿了一個樣品和一張名片走了，同時人群中也有幾個人響應。

       "我不介意功耗，也不介意發熱，我只要分辨率，我是做工業3D成像的，就是要看的越清楚越好，我家的工業相機都要裝上ITOF，給我來個分辨率最大的！"又一個人走上前來，拿走了一款較大的ITOF模組，說道"流水線上不在乎省那一瓦兩瓦電的，但是就是要看得清楚，錙銖必現，Lucid is what we are seeking for." 說完轉身離去。

       "我們做井下工作的要求不太高，煤礦的鏟車和挖煤機能夠對齊就好，別瀝瀝啦啦的滿地漏小煤渣，還得派人清理，還有安全隱患，我看你這ITOF挺好，全視場覆蓋，不留一點死角，不像狄掌柜他們家的，一下子看不全，還得掃來掃去。"一名工程師模樣的人也拿走了一個ITOF模組，轉身離去，出了大門后掏出了安全帽，坐上了車。

       又來了一些人在艾掌柜這里選擇了想要的ITOF測距模組，轉身離去，店里還剩下了幾個人。艾掌柜看了看他們，說道："你們想要點啥嗎？"

       這幾個人看了看艾掌柜柜臺上的東西，又看了看狄掌柜柜臺上的東西，說道："我們做點智能家電，掃地機器人，智能門鎖這樣的，覺得你們兩家各有各的優點，我們都想試試。"

艾掌柜連忙說道："歡迎歡迎！我給你們我們的樣品和說明書！"轉頭去看狄掌柜，結果發現狄掌柜已經沒影了，VIP室的門虛掩著，艾掌柜忙走進去招呼狄掌柜，告訴他外面還有客人等著他呢。狄掌柜已經脫掉了外套，里面的T恤胸前印著"SONY"幾個英文字母，他剛準備從椅子上站起來，只見沙發上坐著的年輕人站了起來，拉住正欲離開的狄掌柜，又撿起來放在茶幾上的繡著被咬掉一口蘋果的帽子，說："狄掌柜的貨，我們全部承包了，讓外面那群人自己想辦法去吧"。

       （欲知后事如何，且聽下回分解）

知識點梳理 

       這篇小文用對話的形式講述了DTOF和ITOF對用戶端的優劣勢，對話內容皆為作者腦補，如有雷同純屬巧合。

       拋去內部的技術細節，單純從用戶端的角度出發，我們還是通過一個表格對于上文中零散的ITOF和DTOF的優劣進行一下比較吧。在選用的時候還是需要根據自己實際需求來選擇，而不是盲目跟風。