新手父母的小幫手：ToF技術賦能醫療健康監控
發布時間：2020-12-16 責任編輯：lina
【導讀】如果你已經是父母了，或許在孩子剛出生的階段做過這樣的事情——baobaozaishuijiao，kanzheyidongbudong，nijiuhuiyongshouqutanbaobaodebizi，kankanbaobaoshibushizaizhengchanghuxi，shoushangyoulewenredehuxiqiticaihuifangxin。yibandajiaguanzhezhongxingweichengzhiwei“新手父母的焦慮”。如今，這一焦慮可以利用ToF技術來消除了。由ADI公司、Arrow、香港中文大學等共同完成的利用ToF技術針對健康護理產品的概念驗證設計可輕鬆測量嬰兒的胸部活動，從而計算呼吸頻率，並將這些信息傳輸至移動設備。
ToF攝像頭消除新手父母的焦慮
對於需要實時深度映射的應用來說，ToF技術越來越受青睞，應用案例包括工業安全和自動化、自動駕駛、物質檢測和分類、虛擬和增強現實以及無人機。現在，我們很開心看到在消費醫療產品領域也開始采用ToF技術。據介紹，ADI這款業界首款針對健康護理產品的概念驗證設計采用了ADI的 3D ToF技術。在智能傳感算法的支持下，該設計展示了 3D ToF 技術的部署方式，為呼吸模式監測和微小動作檢測提供高精度的，納秒級實時傳感數據。
該設計的監視器最前麵采用ADI的ToF技(ji)術(shu)攝(she)像(xiang)頭(tou)，在(zai)嬰(ying)兒(er)呼(hu)吸(xi)時(shi)，監(jian)視(shi)器(qi)會(hui)傳(chuan)輸(shu)實(shi)時(shi)數(shu)據(ju)，這(zhe)些(xie)數(shu)據(ju)通(tong)過(guo)自(zi)定(ding)義(yi)濾(lv)波(bo)器(qi)和(he)增(zeng)強(qiang)算(suan)法(fa)，讓(rang)監(jian)護(hu)人(ren)能(neng)夠(gou)測(ce)量(liang)嬰(ying)兒(er)的(de)胸(xiong)部(bu)活(huo)動(dong)，移(yi)動(dong)設(she)備(bei)會(hui)基(ji)於(yu)嬰(ying)兒(er)的(de)呼(hu)吸(xi)頻(pin)率(lv)實(shi)時(shi)刷(shua)新(xin)這(zhe)些(xie)信(xin)息(xi)。此(ci)外(wai)，對(dui)於(yu)小(xiao)月(yue)齡(ling)的(de)嬰(ying)兒(er)來(lai)說(shuo)，在(zai)還(hai)不(bu)能(neng)熟(shu)練(lian)翻(fan)身(shen)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，趴(pa)著(zhe)也(ye)有(you)一(yi)定(ding)的(de)危(wei)險(xian)性(xing)，該(gai)監(jian)視(shi)器(qi)也(ye)能(neng)夠(gou)監(jian)測(ce)嬰(ying)兒(er)是(shi)否(fou)翻(fan)身(shen)，這(zhe)一(yi)動(dong)作(zuo)在(zai)移(yi)動(dong)設(she)備(bei)中(zhong)也(ye)會(hui)清(qing)晰(xi)的(de)看(kan)到(dao)。
利用ToF技術針對健康護理產品的概念驗證設計
據悉，該項概念設計將被為摩托羅拉智能育兒品牌提供物聯網技術和平台服務的供應商Hubble Connected 公gong司si采cai用yong，有you了le這zhe項xiang監jian視shi器qi產chan品pin，新xin手shou爸ba媽ma再zai也ye不bu需xu半ban夜ye起qi身shen用yong手shou指zhi探tan嬰ying兒er的de鼻bi息xi或huo查zha看kan寶bao寶bao是shi否fou翻fan身shen，隻zhi需xu拿na起qi手shou邊bian的de移yi動dong設she備bei就jiu可ke了le解jie寶bao寶bao的de狀zhuang態tai啦la。
強大的ToF應用來自於每一個像素的深度信息
ToF是一個具有巨大潛力的新興監測方式。強大的ToF應用來自於每一個像素的深度信息：ToF攝像機通過使用調製光源（例如激光或LED）主動照亮物體，然後用對激光波長敏感的傳感器捕捉反射光，以此測量距離。傳感器測量從攝像機發射光，到攝像機接收到發射光之間的時間延遲∆T。時間延遲與攝像機和物體之間的兩倍距離（往返）成正比；因此，距離可以估算為深度 = cΔT/2，其中c表示光速。ToF相機的主要工作是估算發射光信號和反射光信號之間的延遲。目前存在多種不同的測量∆T的方法，其中連續波方法和脈衝是最為常用的兩種方法。
簡單的ToF測量示意圖
連續波方法采用周期調製信號進行主動發光，然後對接收到的信號進行零差解調，以測量反射光的相移；在脈衝方法中，光源發出一係列N 個激光短脈衝，這些脈衝被反射回帶有電子快門的傳感器，該傳感器能夠在一係列短時間窗口中進行曝光。相對於應用，兩種ToF方法都有各自的優缺點，選擇哪種方法的ToF係統需要考慮的問題包括：測量距離、使用係統的環境、精度要求、熱/功耗限製、外形大小以及電源問題。值得注意的是，目前市場上得到廣泛應用的絕大多數連續波ToF係統都使用CMOS傳感器，脈衝ToF係統則使用非CMOS傳感器（主要是CCD）。
高性能模擬前端解決ToF應用關鍵技術挑戰
ADI的ToF技術屬於脈衝ToF CCD係統，使用高性能ToF CCD和集成了12位ADC、深度處理器（將來自CCD的原始模擬圖像信號處理成深度/像素數據），以及高精度時鍾發生器（為CCD和激光器生成驅動時序）的TOF模擬處理前端ADDI9036。時序發生器的精確時序內核支持在45 MHz時鍾頻率下按照大約174 ps分辨率調整時鍾和LD輸出。
ADI ToF係統功能框圖
與其它解決方案相比，ADI的ToF係統具備以下優點：第一，使用了分辨率為640×480的ToF圖像傳感器，其分辨率比市麵上大部分其他ToF解決方案的分辨率高4倍；第二，使用了對940nm波長高度靈敏的傳感器。
我們都知道環境光會顯著降低反射信號的信噪比，特別是在強烈的環境光下。940nm激光器已經變得很普遍，因為這種波長在太陽光光譜中占據了一席之地，在該光譜中，光子通量的幅度相對較低。ADI ToF係統使用對940nm光敏感的ToF CCD，因yin此ci能neng夠gou在zai室shi外wai環huan境jing或huo具ju有you強qiang環huan境jing光guang的de區qu域yu采cai集ji到dao更geng多duo的de有you效xiao信xin號hao。下xia圖tu顯xian示shi的de示shi例li中zhong，在zai戶hu外wai使shi用yong三san個ge不bu同tong的de深shen度du測ce量liang係xi統tong來lai測ce量liang距ju離li。值zhi得de注zhu意yi的de是shi，使shi用yong850 nm光源的CMOS ToF係統很難分辨出人與三腳架，而ADI的CCD ToF係統卻能夠清晰地分辨出兩者。
戶外圖像的深度圖比較
結論
ToF 傳chuan感gan器qi技ji術shu可ke以yi精jing確que投tou射she僅jin持chi續xu數shu納na秒miao的de受shou控kong激ji光guang，這zhe些xie激ji光guang之zhi後hou從cong場chang景jing中zhong反fan射she到dao高gao分fen辨bian率lv圖tu像xiang傳chuan感gan器qi，從cong而er可ke以yi對dui這zhe個ge圖tu像xiang矩ju陣zhen中zhong的de每mei個ge像xiang素su給gei出chu深shen度du估gu值zhi。ToF相機更是憑借更小的外形尺寸、更寬的動態感測範圍以及在多種環境下工作的能力，已經成為深度測量的首選方法。ADI正在設計、生產和銷售一個新的產品係列，其中包括3D ToF成像器、激光驅動器、基於軟件和硬件的深度係統，這些產品將提供市場上出色的深度分辨率，精度可以達到毫米級。特別是基於Microsoft Azure Kinect技術的CMOS ToF產品，將為工業4.0、汽車、遊戲、增強現實、計算攝影和攝像等領域中廣泛的受眾提供領先的解決方案。
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