【导读】飞行时间 (ToF) 是一种主动式 3D 成像技术，通过测量由相机发射的光脉冲在被测物体反射后返回所需的时间来计算距离。根据时间以及光速，可以计算出光脉冲传播的距离，从而得出目标物体与相机之间的距离。

与其他 3D 技术相比，ToF 具有多项优势：它能够在低光照环境下稳定工作，对无纹理场景具有良好的适应性，而且计算距离图像所需的计算负载较低。此外，由于其延迟极低，ToF 非常适用于需要实时决策的应用场景。尽管如此，这项技术仍可能受到各种伪影（Artifacts）的影响，因此需要谨慎处理，以减轻甚至避免这些问题。

运动伪影   Motion Artifact

ToF 系统需要多个相位（图像）来计算目标距离，通常至少需要两个相位；如果需要补偿环境光，则需要三个相位；有时甚至需要四个或更多相位。若用于采集这些相位的传感器一次只能捕获一个相位，而场景中又存在移动物体，那么这些物体在不同相位图像中的位置将不一致。当多个相位被组合起来计算距离图像时，就会产生运动伪影。其结果是，物体不仅会出现形状失真，还会显示在错误的距离位置上。如果应用需要通过多次采集来实现 HDR（高动态范围）成像，也会出现类似现象。采用多储存单元（Multi-Tap）传感器（理想情况下其储存单元数量与算法所需相位数量相同），并结合非破坏性读出 HDR 技术，可以解决这一伪影问题。

混叠伪影  Aliasing Artifact

当飞行时间超过光源发射周期时，就会出现这种伪影。在这种情况下，传感器可能接收到来自其他调制周期的光信号，但无法判断该光信号属于哪个周期。结果是，位于“X + 一个对应于光发射周期距离模值”位置的物体，会被错误地识别为位于距离“X”处，从而导致 3D 深度图或相关点云中的测量误差。增加发射周期可以扩大这一模值距离范围，但同时会降低测量精度，因此必须在两者之间进行权衡。使用多频率技术是解决混叠伪影的方法之一，但会加剧运动伪影问题。而采用具有灵活占空比（Duty Cycle）的传感器，则可以通过解耦最大测量距离（与光发射周期相关）和距离消歧能力来解决这一问题。

干扰伪影   Interferences Artifact

当多个 ToF 相机同时工作时，一台系统发出的光可能被另一台系统接收到，从而扰乱后者接收到的相位信息，导致计算结果失真并产生错误的距离测量。这种现象被称为干扰伪影。通常，解决这一问题的方法是采用时分复用（Time-Multiplexing）技术。然而，这种方法实现复杂，并且通常需要不同系统之间通过有线方式进行连接。另一方面，采用具备专门多系统管理功能的传感器或系统，则有助于减轻这一伪影带来的影响。

3D 飞行时间技术正越来越广泛地应用于机器人、物流、检测以及尺寸测量等工业应用领域，因为它能够在高帧率和低延迟的前提下提供优异的精度和准确性。其高度灵活性使其能够胜任多种复杂环境中的应用，并因此区别于其他竞争技术。与任何技术一样，ToF 技术也需要在不同性能指标之间进行权衡。每一项优势背后都可能伴随着某些局限。然而，上述伪影问题必须尽可能避免，因为错误的距离测量可能导致自主移动机器人（AMR）发生碰撞，或使协作机器人（Cobots）对人员造成伤害。

在 ToF 技术中，图像传感器的重要性甚至超过许多其他 3D 系统。采用专为 ToF 应用设计的传感器，例如 Teledyne e2v 的 Hydra3D+，能够确保最终系统具有更强的伪影抑制能力，从而有效抵御上述问题。此外，凭借 HiRho 技术，Hydra3D+ 还能在户外环境中提供更优异的性能表现。

作者：Yoann Lochardet，Teledyne Vision Solutions

*本文最初发表在：《Electronics for Engineers》2026 年 2 月刊