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ToF技術賦能醫療健康監控,消除新手父母的焦慮

2020-10-20 來源:EEWORLD

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——寶寶在睡覺,看著一動不動,你就會用手去探寶寶的鼻子,看看寶寶是不是在正常呼吸,手上有了溫熱的呼吸氣體才會放心。一般大家管這種行為稱之為“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松測量嬰兒的胸部活動,從而計算呼吸頻率,并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

 

對于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面采用ADI的ToF技術攝像頭,在嬰兒呼吸時,監視器會傳輸實時數據,這些數據通過自定義濾波器和增強算法,讓監護人能夠測量嬰兒的胸部活動,移動設備會基于嬰兒的呼吸頻率實時刷新這些信息。此外,對于小月齡的嬰兒來說,在還不能熟練翻身的情況下,趴著也有一定的危險性,該監視器也能夠監測嬰兒是否翻身,這一動作在移動設備中也會清晰的看到。

 

 

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臺服務的供應商Hubble Connected 公司采用,有了這項監視器產品,新手爸媽再也不需半夜起身用手指探嬰兒的鼻息或查看寶寶是否翻身,只需拿起手邊的移動設備就可了解寶寶的狀態啦。

 

強大的ToF應用來自于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應用來自于每一個像素的深度信息:ToF攝像機通過使用調制光源(例如激光或LED)主動照亮物體,然后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沖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制信號進行主動發光,然后對接收到的信號進行零差解調,以測量反射光的相移;在脈沖方法中,光源發出一系列N 個激光短脈沖,這些脈沖被反射回帶有電子快門的傳感器,該傳感器能夠在一系列短時間窗口中進行曝光。相對于應用,兩種ToF方法都有各自的優缺點,選擇哪種方法的ToF系統需要考慮的問題包括:測量距離、使用系統的環境、精度要求、熱/功耗限制、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系統都使用CMOS傳感器,脈沖ToF系統則使用非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技術屬于脈沖ToF CCD系統,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),以及高精度時鐘發生器(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時鐘頻率下按照大約174 ps分辨率調整時鐘和LD輸出。

 

 

ADI ToF系統功能框圖

 

與其它解決方案相比,ADI的ToF系統具備以下優點:第一,使用了分辨率為640×480的ToF圖像傳感器,其分辨率比市面上大部分其他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系統使用對940nm光敏感的ToF CCD,因此能夠在室外環境或具有強環境光的區域采集到更多的有效信號。下圖顯示的示例中,在戶外使用三個不同的深度測量系統來測量距離。值得注意的是,使用850 nm光源的CMOS ToF系統很難分辨出人與三腳架,而ADI的CCD ToF系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 傳感器技術可以精確投射僅持續數納秒的受控激光,這些激光之后從場景中反射到高分辨率圖像傳感器,從而可以對這個圖像矩陣中的每個像素給出深度估值。ToF相機更是憑借更小的外形尺寸、更寬的動態感測范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系列,其中包括3D ToF成像器、激光驅動器、基于軟件和硬件的深度系統,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。特別是基于Microsoft Azure Kinect技術的CMOS ToF產品,將為工業4.0、汽車、游戲、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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