TOF（Time-of-Flight）方法即飛行時(shí)間法,，其基本原理為光源向目標(biāo)場景不斷發(fā)射調(diào)制過的紅外測量光線并開始計(jì)時(shí),，光束到達(dá)被測物體后發(fā)生反射，有一部分光線按原路徑返回并被探測器接收,，此時(shí)停止計(jì)時(shí),。根據(jù)光的飛行時(shí)間，結(jié)合飛行速度即可計(jì)算出光源與被測物體之間的距離^[1],。

    由于傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)提供的都是二維的信息,，當(dāng)使用計(jì)算機(jī)處理和分析這些圖像、標(biāo)記和追蹤感興趣目標(biāo)時(shí),，無法獲得物體間的前后關(guān)系,，使得計(jì)算機(jī)無法理解其相互關(guān)系^[2]，而基于3D-TOF傳感器的攝像系統(tǒng)則輕易解決了這個(gè)機(jī)器視覺領(lǐng)域的傳統(tǒng)難題,，TOF攝像機(jī)可直接提供詳細(xì)的空間位置關(guān)系,。與傳統(tǒng)的成像設(shè)備相比較，TOF攝像系統(tǒng)能夠很方便地區(qū)分出場景中的前景與后景，從而可以完成復(fù)雜目標(biāo)物體的三維形態(tài)重建,，通過掃描設(shè)備,，能夠以視頻幀速率獲取數(shù)量等于傳感器像素的距離數(shù)據(jù)，進(jìn)而判斷目標(biāo)實(shí)時(shí)姿態(tài)^[3],。采用CMOS工藝和普通LED光源,，可以使設(shè)備以較低成本生成，有廣泛普及的潛力,，三維TOF傳感器主要應(yīng)用在機(jī)器人,、安全監(jiān)控,、多媒體交互,、人機(jī)接口、測量等領(lǐng)域^[4],。

1 3D-TOF圖像傳感器結(jié)構(gòu)和工作時(shí)序分析

1.1 新型3D-TOF芯片簡介

    PMD PhotoICs 19K-S3是德國PMD公司的一款3D TOF傳感器芯片,，也是第一個(gè)商業(yè)化的Time-of-Flight 芯片，能夠同時(shí)獲取實(shí)時(shí)的深度和灰度信息,，其精度高,，功耗低，讀出時(shí)鐘能夠達(dá)到15 MPixel/s,；最大幀率為80 f/s,；集成背景光抑制（SBI）功能；所有的復(fù)位時(shí)序,、曝光時(shí)序和讀出時(shí)序的控制端口都由外部電路提供,，增加了設(shè)計(jì)自由度；提供ROI功能,；片上調(diào)制驅(qū)動(dòng),；由SPI總線配置，能準(zhǔn)確計(jì)算出距離信息,；在160×120的分辨率下,，檢測距離為2 m^[5]，典型的分辨率能夠達(dá)到毫米級別,。其結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

    該傳感器主要由像素陣列、模擬輸出以及控制單元三部分組成,。其中像素陣列大小為160×120,，TOF圖傳感器陣列小的原因是這個(gè)傳感器的單個(gè)像素面積要比傳統(tǒng)的二維圖像傳感器大；模擬輸出部分能夠同時(shí)輸出3個(gè)列信號(hào),，支持SPI總線配置寄存器,，寄存器的配置方式?jīng)Q定了讀出方式是移位寄存器讀出方式還是ROI（Region of Interest）讀出方式。

1.2 工作時(shí)序分析

    傳感器的總體工作時(shí)序如圖2所示,，可以看出,，得到一幀的深度信息所需要的步驟分為復(fù)位,、曝光和讀出3步。復(fù)位過程主要通過Reset信號(hào)與Hold信號(hào)來實(shí)現(xiàn),，Hold信號(hào)為全局保持信號(hào),，此信號(hào)為低時(shí)收集電子，高電平時(shí)把每個(gè)讀出節(jié)點(diǎn)（readout node）的積分電容斷開,，從而達(dá)到保持積分時(shí)間段里收集的電量值的功能,。

    TOF傳感器的不同之處在于多了一個(gè)相位解調(diào)的過程，如圖3所示,。Modsel信號(hào)為FPGA發(fā)給傳感器的調(diào)制信號(hào),，其頻率最高可以達(dá)到80 MHz。在控制器發(fā)出調(diào)制信號(hào)Modsel的同時(shí),，F(xiàn)PGA還需要給中心波長為850 nm的近紅外LED光源同樣頻率的調(diào)制信號(hào),，只是這兩個(gè)信號(hào)之間有一定的相位差，解調(diào)相位需要4次曝光的過程,，如圖3所示,，4次曝光的兩個(gè)調(diào)試信號(hào)的相位差分別為0°、90°,、180°以及270°,，每次曝光后都會(huì)得到一個(gè)電量值。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后,，利用式（1）得出最終的距離值d^[6]：

其中c為光速,， fmod為調(diào)制頻率，典型的調(diào)制頻率為20 MHz時(shí),，理論上的量程為15 m,。

圖3  相位測量示意圖

    移位寄存器讀出方式如圖4所示。讀出時(shí)序由行控制信號(hào)與列控制信號(hào)組成,，end_r與end_c信號(hào)為同步信號(hào),，用于數(shù)據(jù)后續(xù)的存儲(chǔ)操作。從圖中可以看出,，選中一行后,，能同時(shí)讀出3列信號(hào)，每讀完一行,，end_r出現(xiàn)一個(gè)脈沖,，表明一行讀完，讀完最后一個(gè)像素,，end_c出現(xiàn)的脈沖就意味著一幀數(shù)據(jù)已經(jīng)讀完,。

圖4  移位寄存器讀出方式時(shí)序

2 FPGA時(shí)序設(shè)計(jì)與仿真

    傳感器是整個(gè)采集系統(tǒng)的核心，而傳感器的正常工作與否取決于外部信號(hào)是否是嚴(yán)格按照它的驅(qū)動(dòng)時(shí)序提供的，這就需要一個(gè)控制器來完成這部分的工作,。本文采用FPGA與Verilog語言設(shè)計(jì)TOF圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)時(shí)序,，最終目的是得到正確的數(shù)據(jù)以供后面用于距離的計(jì)算。

    PMD PhotoICs 19K-S3圖像傳感器在進(jìn)行正常的深度圖像采集時(shí)總共需要13個(gè)控制信號(hào),，這13個(gè)控制信號(hào)全部都由位于控制板上的FPGA芯片產(chǎn)生,。按照自頂向下的設(shè)計(jì)方法，這些時(shí)序設(shè)計(jì)按照功能可以分為兩個(gè)模塊,，即參數(shù)配置模塊,、像素陣列曝光讀出控制模塊。

    由于得到一個(gè)場景的深度數(shù)據(jù)需要根據(jù)調(diào)制信號(hào)依次曝光4次,，而曝光一次又需要依次分復(fù)位,、積分、移位讀出3個(gè)過程,，為了便于控制,，把其中的每個(gè)過程都分配為有限狀態(tài)機(jī)（FSM）中的一個(gè)狀態(tài),，即：reset,，integration以及readout 3個(gè)狀態(tài)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示,，復(fù)位曝光以及讀出方式的流程圖如圖6,、圖7所示。通過對基本時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù),，確定狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件,。

圖6  復(fù)位曝光流程圖

圖7  寄存器讀出方式流程圖

    狀態(tài)圖中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換都由各自狀態(tài)中的計(jì)數(shù)器得到，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)參考時(shí)鐘是外部100 MHz的晶振時(shí)鐘輸入,，20 MHz的調(diào)制信號(hào)通過PLL分頻得到,。

3 仿真與數(shù)據(jù)處理結(jié)果

    將設(shè)計(jì)好的所有模塊結(jié)合在一起，構(gòu)成了傳感器完整的驅(qū)動(dòng)程序,，用ModelSim 6.5SE進(jìn)行仿真,，其結(jié)果如圖8所示。由圖9所示的PC上計(jì)算得到的距離信息可以看出傳感器能正確地把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成距離信息,，所設(shè)計(jì)的時(shí)序符合TOF傳感器控制的要求,。

圖8  ModelSim仿真結(jié)果

圖9  上位機(jī)上顯示采集到的深度數(shù)據(jù)

    本文的設(shè)計(jì)驗(yàn)證用到的FPGA芯片是Xilinx公司的Sartan 3系列，設(shè)計(jì)的時(shí)序通過仿真驗(yàn)證后加載到FPGA中,，經(jīng)過一定的處理后,，能夠得到如圖9所示的深度數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確與否,，把這些數(shù)據(jù)在MATLAB顯示,，其結(jié)果如圖10所示，能夠驗(yàn)證時(shí)序設(shè)計(jì)的正確性。程序設(shè)計(jì)中利用同步時(shí)鐘控制全局電路的思想^[7],，避免競爭與冒險(xiǎn),，提高了程序的可靠性；采用模塊化的設(shè)計(jì)思想,，提高程序的可重用性和可移植性,，狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法提高了程序運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖10  深度數(shù)據(jù)三維重建結(jié)果

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