淺談3D ToF傳感的各場景應用

汽車制造商需要探索新的方法來讓自己脫穎而出。其中的一項重點就是汽車內部的新功能?，F在，全新的車規級3D飛行時間（ToF）攝像頭幾乎和智能手機的ToF攝像頭一樣小，這使得它們可以集成到汽車內部，并以合理的成本實現豐富的車內應用，包括無縫訪問私人數據和駕駛員監控系統，以及智能安全氣囊等。

過去，駕駛性能是決定一款車型銷量好壞的主要因素。強勁的發動機、動感操控和低油耗是汽車制造商用來吸引客戶的賣點。但時代在變化，消費者在選購新車時愈發關注類似于智能手機的功能和舒適性。此外，監管機構越來越高的安全性要求，正在驅動汽車制造商愈發關注車內設計。

3D ToF傳感數據的使用，是實現未來車內設計，并讓汽車制造商脫穎而出的一大特點。而較為簡單和經濟的3D數據采集方法要數使用飛行時間（ToF）攝像頭。這種攝像頭通過調制紅外光，照射感興趣區域，然后檢測反射光，并將其與發射信號進行比較。這就會產生一個2D灰度圖像，同時，從相位差中獲得每個像素的距離信息，從而獲得場景的三維信息（見圖1）。

圖1：iToF技術原理?

2D灰度圖與3D深度信息均由紅外光獲得

這種方法通常被稱為間接飛行時間（iToF）。與傳統攝像頭不同，iToF在所有環境光條件下（例如：夜間、強烈的陽光下和光影頻繁交替的馬路上），都可以提供高度可靠的3D數據，而不會受到陰影和過曝的影響。相比其他深度傳感技術，iToF還具有其他優勢：ToF攝像頭模塊設計簡單堅固，無需任何機械基線；攝像頭校準速度快，易于可靠地大規模生產；應用處理器的計算負載相對較小。

監控駕駛員

將ToF傳感器置于A柱、方向盤或組合儀表中，便可用于駕駛員監控系統（DMS）。

這些系統會觀察駕駛員的情況，并在駕駛員注意力分散或出現疲勞跡象時發出警告?，F在，這些系統越來越多地被安裝在車中，以滿足最新的新車評估計劃（NCAP）的要求。到2029年，預計50%的車輛將配備 DMS，基于攝像頭的DMS市場規模將達到25億美元（見圖2）。

如今，標準要求（駕駛員注意力、注視區域分割、注意力分散或疲勞）通常由2D攝像頭系統監控。但只要納入第三個維度，就會涌現全新的創新應用，“車輪上的智能手機”和“駕駛員成為乘員”等愿景將成為現實（見圖3）。

圖2：未來幾年，基于攝像頭的駕駛員監控系統

將逐漸邁入市場

圖3：未來，車內設計將成為汽車制造商之間的

一項重要差異化因素

基于ToF的DMS是較為經濟高效的選擇。在該系統中，用于DMS功能的同一個ToF攝像頭可以用于實現安全、防欺詐的面部驗證，就像許多智能手機和智能門鎖那樣。該算法使用2D紅外圖像進行面部識別，并使用3D數據來避免任何類型的欺騙攻擊。如果沒有3D數據，一張簡單的照片就足以騙過面部識別算法；而3D數據可以立即阻止這種企圖。

但是，為什么需要在汽車上進行3D面部認證呢？隨著消費者對智能手機、智能手表、智能電視和其他智能設備所提供的便利性愈發習以為常，他們期望汽車也能帶來越來越多的便利。這意味著無論您身在何處（哪怕在智能汽車中），都可以無縫地訪問私人數據和云服務，例如：流媒體音樂。

而這些新服務也需要身份驗證，例如：在公共充電站給電動汽車充電時實現輕松支付。當需要對某個操作進行身份驗證時，特別是那些敏感交易，就必須具備安全性，而這可以通過3D數據來實現。但也有一些不太敏感的面部識別應用。以個性化為例，它能使汽車檢測到剛剛是哪位駕駛員進入了車輛，從而加載適當的設置。

安全與便利應用

汽車一旦上路，3D ToF傳感數據還可以用來更加精確地確定駕駛員眼睛和頭部的位置。這意味著，抬頭顯示器的投影也將更加適應駕駛員的情況。

但DMS并非ToF攝像頭的唯一用途。后視鏡附近的寬視野ToF攝像頭可實現完整的乘員監控系統（OMS），為自動駕駛過程中的所有必要任務提供支持，為手握方向盤檢測和自動駕駛接管行為鋪平了道路。車輛接管駕駛時，駕駛員可以大幅改變姿勢，甚至躺臥。為確保駕駛員的安全，車輛安全系統必須適應駕駛員的新姿勢。例如，智能安全氣囊或安全帶需要了解乘員的精確位置。ToF攝像頭通過準確的3D身體模型和實時身體跟蹤提供此類信息。于是，哪怕駕駛員在L3和L4自動駕駛中享受了更多的“自由”，其被動安全依然有保障。

3D ToF傳感技術的應用遠不止跟蹤運動，它還可以輕松實現乘員檢測和分類。這提供了準確的尺寸和重量估計，可以取代現有的座椅重量測量系統。同樣，ToF還支持兒童存在檢測（CPD）系統，該系統正逐步成為一項強制性要求。

ToF還提供全新的便利性應用。OMS的ToF傳感器可以跟蹤乘員的脊柱位置，從而提供健康座椅位置建議、激活按摩座椅或提供健身提示等選項，以便在長時間的乘坐中，稍事休息，放松背部。

ToF攝像頭也可以實現手勢控制，讓乘員可以從不同的座椅位置與大屏幕交互。同時，車輛可以區分駕駛員和乘員的輸入。但同樣，其追蹤并不限于手部動作，還可以擴展到整個身體和動作。這使得智能且直觀的車內照明成為可能，例如：只照亮當前的感興趣區域。這顯示了ToF技術的巨大優勢。雖然某些應用也可以通過其他（甚至可能更便宜的）傳感器來實現，但僅僅一個ToF傳感器就可以同時提供多種不同的功能。如上所述，ToF可以實現全新的應用，優化車內現有的系統，甚至免去其他傳感器，以降低總成本。

首批采用ToF傳感器的車輛已經上路

寶馬是利用ToF傳感器進行手勢控制的先驅；梅賽德斯也正在利用這項技術，提供便利性功能。在中國，許多新的電動汽車初創公司正在依賴ToF傳感器進行DMS和面部識別。這項技術已經在AITO車型中得到了應用，預計其他各大汽車制造商將于明年推出更多采用該技術的車型。因此，這項技術已經打入了汽車內部。

3D攝像頭如何防止面部識別欺詐

面部識別算法在這一點上相當成熟。特別是在智能手機中，該技術現得到廣泛的應用。但研究（例如：德國雜志Computer Bild Q1/20的研究）表明，許多智能手機很容易被騙：25部智能手機中有20部可以被一張簡單的打印照片解鎖。只有配備3D深度傳感器的智能手機才能區分真實的面部和照片。這使得ToF成為了為汽車駕駛員監控系統添加安全面部認證的理想技術。

英飛凌與Jungo Connectivity合作，展示了與強大的反欺詐面部認證功能相結合的駕駛員監控系統：該系統基于Jungo的人工智能車內感應解決方案CoDriver和英飛凌的REAL3?ToF圖像傳感器。

3D ToF也為車輛外部帶來了全新的可能性（見圖4）。如上文所述，面部認證可以用來解鎖車輛。為此，我們在B柱中安裝了ToF模塊。

能夠自動開合的電動車門，需要通過傳感器來確保沒有障礙物擋道。對此，ToF傳感器可以提供所需的高精度數據。對于自動泊車，ToF傳感器可提供關于路緣石、柱子等物體的位置和大小的準確數據。

當然，3D ToF攝像頭模塊是一個復雜的系統：它必須針對各自的車輛和應用進行定制，并且每個模塊都必須進行校準。所使用的激光必須得到電氣保護和機械保護，以便時刻確保乘員的眼部安全。數據處理同樣不可小覷。在汽車應用中，ToF模塊與所有其他部件一樣，必須滿足特定的標準。例如：智能安全氣囊應用就需要符合包括ISO 26262在內的功能安全要求。

世界首款通過ISO 26262認證的ToF傳感器

英飛凌是首家提供符合ISO 26262 ASIL-B功能性安全要求的高分辨率車規級ToF圖像傳感器的公司。ISO 26262 ASIL-B標準定義了功能安全領域的最新技術水平。車內任何可能影響乘員安全的器件都必須符合該標準。

在通過該標準的器件中，英飛凌REAL3 IRS2877A(S) ToF圖像傳感器就是其中的一個。它基于第五代像素技術，已經過了智能手機的實踐檢驗（IRS2877C）。有了這款新傳感器，鏡頭尺寸再度大幅縮小，像素圈僅為4mm（0.25英寸），這使得鏡頭和智能手機的攝像頭一樣小。同時，它還具有高達640 × 480像素（VGA）的系統分辨率。

這是一款高度集成的解決方案，每個像素都具有背光抑制功能（所以，圖像傳感器完全不受陽光的干擾）、集成了保護人眼的安全電路，并采用經過優化的電源設計，有助于實現高效的（尺寸和成本）ToF攝像頭模塊設計。整個器件采用標準的光學球狀引腳柵格陣列（BGA）封裝，適用于標準的焊接工藝。

總結

3D ToF傳感數據讓一切變得與眾不同：ToF解決方案表明，合規與創新并不矛盾。僅一個傳感器就可以滿足歐盟的相關法規標準和NCAP DMS的功能要求（包括頭部跟蹤、閉眼檢測和凝視區域分割），同時通過安全的3D面部認證增加了新的功能和服務。這開辟了一個無縫連接的時代。此外，基于ToF的乘員監控系統將“駕駛員成為乘員”的愿景化為可能，例如，在車輛自動駕駛時，駕駛員可以改變姿勢，甚至躺臥。

英飛凌擁有一個強大的合作伙伴生態系統，包括：模塊制造商、一級客戶和應用軟件專家。該公司在消費類、工業和物聯網應用中，也有著不錯的3D ToF傳感器成績。英飛凌與開發合作伙伴pmd technologies一起，提供了一個完整的解決方案，包括復雜的深度算法、深度數據偽影檢測和校正、深度軟件支持，以及先進、快速并經過大量驗證的校準和測試設置。

英飛凌是首家提供符合ISO 26262 ASIL-B功能安全要求的高分辨率車規級ToF圖像傳感器的公司。

英飛凌的3D ToF圖像傳感器是全球第一款通過ISO 26262 ASIL-B標準認證的3D ToF圖像傳感器，可應對當前和未來的功能安全應用。

英飛凌還是車內傳感器領域的一站式服務提供商，除了3D ToF傳感器外，還提供毫米波雷達和MEMS麥克風等其他傳感器。

編輯：黃飛

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