使用 ToF 感測器進行距離量測和手勢辨識的基礎知識

許多應用皆必須在不觸碰的情況下，感測實體物件的存在或距離。此接近感測需求促使眾多競爭解決方案應運而生，包括光學飛時測距 (ToF) 感測器。這些解決方案雖然具備精確優勢，但實作所需的成本與複雜度皆很高；不過，近期推出的解決方案能讓相關技術的運用大幅簡化。

採用接近感測的產品清單包括攝影機自動對焦系統、機器人和無人機、多種衛浴設備，以及自動門的門禁感測器。這些僅是其中的一小部分範例，且產品清單規模還在不斷擴增。極具競爭性的接近感測技術源起於簡易型紅外線與超音波感測器，此後逐漸發展應用於更複雜的感測器系統，例如具備神經系統的立體攝影機等等。

上述所有技術皆有限制，雖然諸如自動駕駛車輛的物體辨識和跟蹤等複雜工作，可能需要運用人工智慧來實作，但此技術單純運用在紙巾與肥皂分配工作上簡直是大材小用。設計人員擁有的預算和設計時程日趨縮減，因此必須將成本、空間和設計時間最小化。

納入考量的其中一項接近感測替代方案，即是 ToF 感測器。這些感測器會計算光子從感測器至物體的來回週遊行程，以測量與目標物體間的距離。時至今日，要迅速實作 ToF 設計同時降低成本並不容易，不過新一代的 ToF 感測器具備高度整合性且經濟實惠，因此能在更低成本的設計中採用高度準確的感應式技術。

本文將探討距離量測技術在距離感測與手勢辨識等多種不同應用方面的演進和使用概況，包括 ToF 感測器。接著會說明 ToF 感測器技術的運作情況，然後介紹一些最新解決方案及其入門方式。

早期的接近感測器

1972 年推出的 Polaroid SX-70 拍立得相機整合眾多創新技術，包括折疊式扁平三鏡面光學設計、菲涅爾透鏡、內建在拍立得底片封裝內的扁平 6 V 電池，以及十連拍閃光燈。不過，Polaroid 為 SX-70 相機引進的最具影響力技術之一就是聲納自動對焦系統。此技術於 1978 年推出的寶麗來 SONAR OneStep 相機中首次亮相 (圖 1)。聲納自動對焦系統採用創新的超音波傳感器，可同時發射超音波測距脈衝，並可接收反射的超聲波能量。

圖 1：Polaroid 的 SONAR OneStepSX-70 相機整合超音波傳感器 (位於相機頂端的金色大圓圈)，可進行自動對焦測距。(圖片來源：Wikipedia)

由於 SONAR 的超音波感測器相當成功，因此 Polaroid 專門針對感測器建立相關事業，而 Polaroid 超聲波自動對焦感測器造成的迴響至今猶存。譬如，價格實惠的 SparkFun SEN-13959 HRC-SR04 超音波測距模組屬於距離感測器，具備分別的發射與接收傳感器 (圖 2)。此感測器的設計，可直接由 Arduino 開發板驅動。感測器的範圍可從 2 cm 延伸至 400 cm，指定用來進行非接觸式接近量測，最小解析度為 3 mm。

圖 2：SparkFun 的 SEN-13959 超音波測距模組使用 40 kHz 反射脈衝來感測距離。(圖片來源：SparkFun)

為了使用此模組測量距離，Arduino 板 (或其他控制器) 會傳送 10 µs 的脈衝至該板的 Trig 引腳，其會觸發一連串由超音波發射器所發射的八個短超聲波脈衝。聲脈衝會擊中目標並反射傳回，以每秒 343 m 的速度週遊 (在 20˚C 的一般環境中)。將超音波脈衝從發射至接收的持續時間乘以每秒 343 m 的速率，然後再除以 2 (基於來回週遊行程考量)，即得出與目標之間的距離。

超音波脈衝對於堅硬表面的反射效果最佳，而在從簾幔、地毯、衣服和寵物等柔軟表面彈離時，反射效果較差。量測準確度取決於使用的脈衝計時方式。SparkFun 的 SEN-13959 模組沒有此類計時控制功能，需仰賴主機 CPU 提供精確計時。此外，使用超音波感測器進行距離量測時的準確度與穩定性，會依氣溫 (會改變空氣中的音速) 和空氣流動 (會帶走絕大多數反射的超聲波能量，並讓回波訊號衰減) 而異。

紅外線 (IR) LED 也一直用於進行接近偵測和距離量測。例如，Sharp Microelectronics 的 GP2Y0A41SK0F 距離測量感測器元件可根據自 IR LED 傳送的反射紅外線強度，感測 4 cm 至 30 cm 外的物體 (圖 3)。感測器輸出的類比電壓範圍約略為 3 V (對應 3 cm 的接近距離) 至 0.3 V (對應 40 cm 的接近距離)，以指出物體距離。主機控制器會負責將此類比電壓轉換為數位形式。

圖 3：Sharp 的 GP2Y0A41SK0F 紅外線距離測量感測器元件可偵測 3 cm 至 40 cm 距離外的物體。(圖片來源：Sharp Microelectronics)

不過，由於物體距離是以反射的 IR 能量為準，因此這類 IR 感測器的準確度會基於各種變數而有誤差，例如物體反射性以及環境光的強度等等。

使用紅外線測量物體距離的另一種方式，即是計算光子從感測器的紅外線發射器週遊至物體、反射，然後再返回感測器所耗費的飛行時間。此類接近量測感測器兼具超聲波感測器的 ToF 特性，以及光子速度的相對穩定性，不會受到空氣流動、環境光或反射性的影響。

直至近期以來，要計算光子週遊短程距離所耗費的飛行時間並不容易，因為光的週遊速率為每秒 299,792,458 公尺，或依通則而言為每奈秒一英呎。因此，ToF 感測器需要運用極為準確的次奈秒計時，以偵測數毫米、數公分甚至數英吋的距離。

然而拜電玩產業所賜，ToF 感測器技術的費用已經降低許多。Microsoft® 的 Kinect 遊戲控制器可能是現今最廣為人知的 ToF 感測器應用 (圖 4)。第一代的 Microsoft Kinect 是在 2010 年末推出，屬於 Microsoft 自家 Xbox 360 的周邊裝置。此控制器廣受機器人建構商青睞，因為其可運用 ToF 距離感測技術，產生機器人周遭環境的 3D 地圖。

圖 4：Microsoft 的 Xbox 360 家用電玩主機專屬的 Microsoft Kinect 控制器，採用 ToF 感測技術建構四周環境的 3D 地圖。(圖片來源：Wikipedia)

Kinect 控制器的感測技術經過縮小化與簡化，即可打造適合眾多嵌入式應用且實用的距離量測感測器。

VCSEL 與 SPAD

譬如，STMicroelectronics 現已推出多世代小型 ToF 感測器產品系列，適用於接近測量。這些感測器以一些最先進的基礎技術進行打造，包括紅外線垂直共振腔面射型雷射 (VCSEL)，以及單一光子突崩光電二極體 (SPAD) 陣列。

此 ToF 感測器產品系列的三款感測器分別為 VL53L0CX、VL53L1CX 和 VL6180X。這三款感測器都可測量距離，但各自具備不同的功能。

第一代 VL6180X ToF 感測器具有一種範圍模式，可針對數 mm 至 100 mm 的距離進行接近測量 (圖 5)。此款感測器的尺寸為 4.8 x 2.8 x 1.0 mm，且具有 42 度視野。此外還內建環境光感測器，可針對環境光的改變進行補償。

圖 5：STMicroelectronics 第一代 VL6180X 感測器的最大範圍為 100 mm。(圖片來源：STMicroelectronics)

第二代 VL53L0CX ToF 感測器的室內運作距離範圍為 50 mm 至 1200 mm，可針對白色目標運作 (圖 6)。此產品的尺寸為 4.4 x 2.4 x 1.0 mm，且具有 25 度視野。由於環境光因素，若在戶外使用感測器，則其最大範圍會縮減為 600 mm 至 800 mm。

圖 6：STMicroelectronics 第二代 VL53L0CX 感測器的最大範圍為 1200 mm。(圖片來源：STMicroelectronics)

第三代 VL53L1CX ToF 感測器具有三種距離模式 (圖 7)。在短程、中程和長程範圍模式下，最大距離分別為 1360 mm、2900 mm 和 3600 mm，適用於無環境光的白色目標。若有強烈環境光，在短程、中程和長程範圍模式下的最大距離分別為 1350 mm、760 mm 和 730 mm。與直覺相反的是，短程距離模式在有強烈環境光的情況下，具有最遠的量測範圍。

VL53L1CX 的尺寸為 4.9 x 2.5 x 1.56 mm，且具有 27 度最大視野。(此感測器的視野可進行編程和限縮，說明如下。)

圖 7：STMicroelectronics 第三代 VL53L1CX 感測器的最大範圍約為 4 m。(圖片來源：STMicroelectronics)

上述所有三款 ToF 感測器皆可透過數位 ²C 介面 (亦可當作感測器的控制埠)，以 1 mm 的解析度向主機處理器回報接近量測結果。由於這些感測器皆採用 I²C 介面，因此可極為輕易地連接至主機處理器 (圖 8)。

圖 8：STMicroelectronics 的第三代 VL53L1CX 感測器，與系列早期感測器產品一樣，都可透過簡易的 I²C 連接至主機處理器。(圖片來源：STMicroelectronics)

請注意 AVDDVCSEL 與 AVDD 電源供應器產品系列具有特殊的旁路需求。100 nF 與 4.7 µF 旁路電容的擺放位置必須盡可能靠近感測器，以免電源供應器的雜訊進入感測器而降低準確度。

這些 ToF 感測器基本上皆為一維度，可在視野範圍內回報物體的接近距離。若視野範圍內有多個物體，這些感測器則會回報與最近物體間的距離。單一感測器無法偵測單手操作手勢的方向，但可用來偵測以下四種簡易手勢：

1. 單擊 (將手下移以「輕觸」感測器)
2. 雙擊
3. 單次滑動 (將手跨過感測器的視野範圍)
4. 雙次滑動

透過其中一種 ToF 感測器，利用一個、兩個或更多個感測器來偵測多維度手勢和動作，即可取得手勢與動作資訊。可使用成對的 ToF 感測器來判別由左至右與由右至左的手部移動。

此外還可選擇性地限縮第三代 VL53L1CX 接近感測器的視野範圍，即可取得更詳細的資訊。方法就是透過 I²C 介面將命令傳送至感測器，將感測器陣列中的個別 SPAD 關閉。VL53L1CX 接近感測器的 SPAD 陣列是由 256 個光電二極體，以 16 x 16 的陣列形式所組成。此陣列的任何方形或矩形部分可透過軟體命令來啟用。這些命令會在應啟用的陣列當中，指定 SPAD 四周方塊的兩個角落。減少啟用元件的數量，即可縮減感測器的視野範圍和限縮其目標區域。唯一的要求是至少要啟用 16 個 SPAD，組成 4 x 4 光電二極體陣列，但亦允許使用更大的陣列。

採用 ToF 感測器進行設計

VL53L1CX 接近感測器隨附 P-NUCLEO-53L1A1 評估套件，可協助您輕鬆開始設計。此套件包括以 STMicroelectronics STM32 微控制器為基礎的 STM32F401RE Nucleo 評估板，以及 X-NUCLEO-53L1A1 擴充板，此擴充板可安裝在微控制器機板上，並可連接兩個 VL53L1X 分接板 (亦隨附於套件中) (圖 9)。

圖 9：STMicroelectronics P-NUCLEO-53L1A1 評估套件隨附的感測器分接板，含有一個直接安裝在板件上的 V53L1X ToF 接近感測器。此板件可在插入式分接板上使用另外兩個 V53L1X 感測器。(圖片來源：STMicroelectronics)

P-NUCLEO-53L1A1 評估套件亦包含可快速開始進行開發的系統軟體與原始程式碼範例。STMicroelectronics 亦針對自家的 STM32Cube 軟體開發套件，提供 TOF 測距與手勢偵測擴充模組。這些擴充模組專門用於個別感測器，且可直接從 STMicroelectronics 免費下載。

這些 STMicroelectronics ToF 感測器尺寸小巧，可應用在設計人員期望的任何地方。以下是發揮無限創意的幾個應用範例：

• 機器人用的一般接近感測器
• 感應式紙巾與肥皂分配器
• 感應式浴廁沖水器
• 感應式洗臉槽水龍頭
• 掃地機器人用的沿牆與避物感測器
• 筆記型電腦與監視器用的低成本操作人員存在偵測器
• 零售自助服務亭用的簡易型存在與手勢偵測
• 自動販賣機用的實體庫存管理
• 自動販賣機用的硬幣計數
• 無收銀員商店中可自動管理庫存的智慧型貨架
• 無人機用的地面接近偵測
• 室內無人機用的天花板接近偵測

與採用雙維度 ToF 感測器或立體攝影機和神經系統的接近偵測器不同，這些整合式 STMicroelectronics ToF 接近感測器的費用相對較低，可整合至售價多元的多種終端產品。

結論

包括光學和超音波等眾多技術皆支援接近感測，市場上亦有採用這些技術的多種優異解決方案。不過在這些接近感測技術當中，最新的其中一項技術即是飛時測距 (ToF)。這些技術透過光子離開感測器、週遊至目標，然後再反射至感測器所需的來回行程時間，測量與目標之間的距離。

隨著內建紅外線發射器與接收器的整合式感測器，以及適用於光子週遊時間次奈秒計時的所需電路皆一一問世，此技術的應用更具成本效益。相關的開發套件亦可用於實驗並加速原型開發工作。