ToF實現3D沉浸式互動　擴展多元創新應用(1)

儘管目前元宇宙、AR/VR，甚至全息傳送(Holoportation)(高品質的3D人物模型，能夠在全球任意位置進行即時重構和傳輸)掀起了一股熱潮，但距離實現最終的跨越擴增實境頭戴式裝置，還有很長的路要走。

將2D互動轉換為沉浸式的3D互動頗有難度，需要融合多項技術才能實現。雖然3D顯示幕和空間音訊內容已獨立存在了一段時間，但其只是靜態的，需要固定的觀看和收聽位置。在橋接現實世界和數位世界此一領域，3D飛時測距(Time of Flight, ToF)技術已進入下一階段，透過將靜態的3D互動轉換為能夠感知情境的沉浸式互動，可動態適應所有環境類型(人與人的遠端互動、人機互動或機器與機器的互動)中的用戶情境和機器情境。

智慧裝置持續發展

根據分析師報告，2021年全球智慧家庭裝置的出貨量成長了近12%，該項研究預測，到2026年時，其出貨將保持兩位數成長。消費者現在期望所有裝置都能不斷發展，使其能更智慧且無需接觸也能操控，包括燈泡、家用設備(圖1)、電視、汽車等。

在過去10年，智慧家庭不斷發展，智慧的定義也是如此。基礎的智慧裝置一般都很簡單—需要聯網、受到控制或監測，例如掃地機器人。更先進一些的智慧裝置能夠感知周圍環境。其可能還啟用了GPS，例如，進入一定範圍內，會自動打開家中的暖氣，無需觸摸按鈕或螢幕。

甚至，更智慧的裝置能夠傾聽語音指令，並理解其中的意思，提供一定水準的個性化體驗。例如，家中使用的智慧喇叭還能充當智慧管家，使用者準備睡覺時，可降下窗簾、調暗燈光、調節室內溫度，並播放舒緩的音樂。

智慧革命的下一個變革會賦予智慧裝置另一項人類感知—視覺。這些裝置能夠檢測和分析人們周圍的環境，然後根據分析結果做出決定。這些裝置背後的支援技術是景深測量，這是實現飛時測距ToF的關鍵因素。

何謂飛時測距ToF？

ToF攝影機向物體發射光束，該光束會反射至感測器，攝影機測量發射光束與反射光線被感測器接收之間的時間延遲，由此測量與物體之間的距離。這個過程與超音波類似，後者透過聲音，而非光線來測量距離，雷達則透過無線電波來測量距離。相較於超音波，飛時測距攝影機能夠更快產生具有高(深度)精度的高解析度深度圖(空間解析度與RGB攝影機相當)，且能覆蓋更大範圍。雖然雷達的探測距離更遠，但飛時測距ToF的準確性與解析度均更勝一籌。

一般而言，飛時測距(ToF)的時延會採用兩種方法來測量：間接飛時測距(ToF)(iToF)和直接飛時測距(ToF)(dToF)：

間接ToF和直接ToF

iToF系統使用連續波(CW)方法，該方法測量發送和接收的光脈衝之間的相移。

dToF攝影機使用基於脈衝的方法，該方法測量發射的脈衝和接收的光脈衝之間的經過時間。使用CW iToF圖像感測器的優勢之一：其基於傳統的半導體基礎設施進行大規模量產，能夠以經濟的成本實現高像素密度的短距成像。

無論選擇iToF還是dToF深度成像系統，最終要看應用需求和使用環境。iToF適用於需要高空間解析度的短距成像(0.5公尺、5公尺和10公尺)。dToF更適合對空間解析度要求不高的遠距成像。人工智慧(AI)和光學系統設計使得選擇iToF技術和dToF技術的界線不再那麼清晰明確。在能感知環境的智慧邊緣系統中，iToF和dToF感測器都與RGB圖像和慣性感測器整合，並在AI的助力之下提升性能，消除偽影。

就像滑鼠改變了電腦互動，觸控式螢幕技術也推動了智慧手機和平板電腦的普及，飛時測距技術正在助力實現非接觸式3D互動。在推動工業4.0發展方面，飛時測距技術具有類似效用。從用於品質檢測的工業機器視覺到用於資產管理的體積感測，再到推動自主(設備)生產的導航技術，製造業開始採用這些感測技術，並逐步轉向適合惡劣工業環境的高解析度系統。

但是，ToF技術從哪些方面改變了人們的日常生活？如今，有哪些技術突破能夠媲美彩色電視或個人電腦呢？

ToF實現3D沉浸式互動　擴展多元創新應用(1)

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