【導讀】飛行時間 (ToF) 是一種主動式 3D 成像技術，通過測量由相機發射的光脈沖在被測物體反射后返回所需的時間來計算距離。根據時間以及光速，可以計算出光脈沖傳播的距離，從而得出目標物體與相機之間的距離。
與其他 3D 技術相比，ToF 具有多項優勢：它能夠在低光照環境下穩定工作，對無紋理場景具有良好的適應性，而且計算距離圖像所需的計算負載較低。此外，由于其延遲極低，ToF 非常適用于需要實時決策的應用場景。盡管如此，這項技術仍可能受到各種偽影（Artifacts）的影響，因此需要謹慎處理，以減輕甚至避免這些問題。
運動偽影 Motion Artifact
ToF 系統需要多個相位（圖像）來計算目標距離，通常至少需要兩個相位；如果需要補償環境光，則需要三個相位；有時甚至需要四個或更多相位。若用于采集這些相位的傳感器一次只能捕獲一個相位，而場景中又存在移動物體，那么這些物體在不同相位圖像中的位置將不一致。當多個相位被組合起來計算距離圖像時，就會產生運動偽影。其結果是，物體不僅會出現形狀失真，還會顯示在錯誤的距離位置上。如果應用需要通過多次采集來實現 HDR（高動態范圍）成像，也會出現類似現象。采用多儲存單元（Multi-Tap）傳感器（理想情況下其儲存單元數量與算法所需相位數量相同），并結合非破壞性讀出 HDR 技術，可以解決這一偽影問題。
混疊偽影 Aliasing Artifact
當飛行時間超過光源發射周期時，就會出現這種偽影。在這種情況下，傳感器可能接收到來自其他調制周期的光信號，但無法判斷該光信號屬于哪個周期。結果是，位于“X + 一個對應于光發射周期距離模值”位置的物體，會被錯誤地識別為位于距離“X”處，從而導致 3D 深度圖或相關點云中的測量誤差。增加發射周期可以擴大這一模值距離范圍，但同時會降低測量精度，因此必須在兩者之間進行權衡。使用多頻率技術是解決混疊偽影的方法之一，但會加劇運動偽影問題。而采用具有靈活占空比（Duty Cycle）的傳感器，則可以通過解耦最大測量距離（與光發射周期相關）和距離消歧能力來解決這一問題。
干擾偽影 Interferences Artifact
當多個 ToF 相機同時工作時，一臺系統發出的光可能被另一臺系統接收到，從而擾亂后者接收到的相位信息，導致計算結果失真并產生錯誤的距離測量。這種現象被稱為干擾偽影。通常，解決這一問題的方法是采用時分復用（Time-Multiplexing）技術。然而，這種方法實現復雜，并且通常需要不同系統之間通過有線方式進行連接。另一方面，采用具備專門多系統管理功能的傳感器或系統，則有助于減輕這一偽影帶來的影響。
3D 飛行時間技術正越來越廣泛地應用于機器人、物流、檢測以及尺寸測量等工業應用領域，因為它能夠在高幀率和低延遲的前提下提供優異的精度和準確性。其高度靈活性使其能夠勝任多種復雜環境中的應用，并因此區別于其他競爭技術。與任何技術一樣，ToF 技術也需要在不同性能指標之間進行權衡。每一項優勢背后都可能伴隨著某些局限。然而，上述偽影問題必須盡可能避免，因為錯誤的距離測量可能導致自主移動機器人（AMR）發生碰撞，或使協作機器人（Cobots）對人員造成傷害。
在 ToF 技術中，圖像傳感器的重要性甚至超過許多其他 3D 系統。采用專為 ToF 應用設計的傳感器，例如 Teledyne e2v 的 Hydra3D+，能夠確保最終系統具有更強的偽影抑制能力，從而有效抵御上述問題。此外，憑借 HiRho 技術，Hydra3D+ 還能在戶外環境中提供更優異的性能表現。
作者：Yoann Lochardet，Teledyne Vision Solutions
*本文最初發表在：《Electronics for Engineers》2026 年 2 月刊
