第1章 飞行时间（TOF）测距成像传感器的技术发展水平 1
1 引言 1
2 TOF相机的工作原理 3
2.1 TOF探测系统 3
2.2 TOF测量技术 3
3 时间分辨成像传感技术 4
4 结论 5
参考文献 6
第2章 基于5PAD的传感器 9
1 引言 9
2 SPAD的物理机制 10
3 CMOS SPAD设计 12
4 基于TCSPC的TOF相机系统 14
5 单光子同步探测 23
6 相位域△∑TOF成像 28
7 前景与展望 31
参考文献 32
第3章 基于电子学的30传感器 35
1 脉冲I-TOF 3D成像方法 35
1.1 工作原理 36
1.2 信号和噪声分析 37
2 案例研究1：采用完全差分3D像素的50×30像素阵列 38
2.1 传感器设计 38
2.2 电路分析 40
2.3 测量和未来展望 41
3 案例研究2：160×120双级像素阵列 43
3.1 传感器设计 43
3.2 电路分析 44
3.3 测试方案和测量结果 46
4 相关I-TOF的3D成像方法 49
4.1 传感器结构 50
4.2 信号和噪声分析 51
5 案例分析3：2×32双线TOF传感器 52
5.1 传感器电路 52
5.2 测试方案和测量结果 54
6 案例分析4：16×16像素阵列TOF传感器设计 56
6.1 传感器电路 56
6.2 测试设置和测量结果 58
7 讨论和比较 59
参考文献 60
第4章 基于像素光电混合器件的传感器 61
1 引言 61
2 基本工作原理 62
3 电荷域电光解调器 65
3.1 基于栅极结构的基本解调器 65
3.2 电流辅助解调器件 69
3.3 钉扎光电二极管解调器件 70
3.4 静态漂移电场解调器件 71
3.5 其他概念 73
4 像素结构 74
5 结论 76
参考文献 76
第5章 幅值调制连续波激光雷达中的混合像素和多路径干扰的认识和改进 76
1 引言 80
1.1 飞行时间测量技术 81
1.2 混合像素和多路径干扰的形成 84
2 混合像素和多路径干扰的模型 86
2.1 距离测量理论 86
2.2 混合像素建模 87
2.3 由于多个回波信号所产生的扰动 88
3 点扫描系统和探测方法 90
3.1 法线角和边缘长度探测 91
3.2 Adam的探测算法 91
3.3 基于分类的检测方法 92
3.4 空间非连续性误差的测量 92
4 全视场系统和恢复 93
4.1 使用场景纹理、结构光或正方形校准方法的散射恢复 94
4.2 采用空间域卷积方式的恢复方法 95
4.3 使用场景内部散射模型的恢复方法 97
4.4 通过表面参数模型的混合像素恢复方法 97
4.5 相关波形的反卷积／波形形状拟合方法 97
4.6 多频测量方法 99
5 结论 99
6 混合像素和多路径干扰的认识和理解 100
6.1 激光雷达调制技术 100
参考文献 100
第6章 30相机：误差、校准和定位 103
1 引言 103
2 几何模型 104
3 定位 106
3.1 基于标记物的定位 106
3.2 基于传感器的定位 107
3.3 数据驱动定位 107
4 误差来源 108
4.1 镜头畸变 109
4.2 与场景无关的距离测量误差物理模型 110
4.3 与焦平面位置相关的距离误差以及与振幅测量值相关的距离误差 111
4.4 内部散射 111
4.5 固定模式噪声 113
4.6 与积分时间相关的测量误差 113
4.7 相机预热误差 114
4.8 模糊间隔 115
4.9 目标空间中的多路径效应 116
5 系统校准 116
5.1 校准的目的 116
5.2 校准方法 117
5.3 自校准方法 117
5.4 模型理论和解决方案 119
6 总结 119
参考文献 120
第7章 用于建筑测绘的飞行时间测距相机 123
1 引言 123
2 TOF相机在建筑测绘中的分析应用 124
2.1 预校准和数据采集方法 126
2.2 入射角对距离测量的影响 126
2.3 目标物体反射率对距离测量的影响 128
2.4 文化遗产建筑测绘中的测试、数据处理、比较和结果 130
2.5 飞行时间测距相机在建筑装饰雕塑中的测绘和精度性能评估 131
2.6 两个窗户的数据采集和处理 133
2.7 用于断裂线提取的数字摄影测量多帧图像匹配方法 136
2.8 结果和讨论 139
3 结论 142
参考文献 143
第8章 飞行时间相机在环境辅助生活中的应用 146
1 引言 146
2 主动视觉在环境辅助生活情境中的优势 147
3 基于飞行时间相机的跌倒检测框架 150
3.1 硬件平台 150
3.2 相机安装设置 150
3.3 外部参数的自校准 152
3.4 背景建模，人体图像分割及跟踪 158
3.5 跌倒检测策略 159
3.6 模拟设置 160
3.7 实验结果 160
4 基于飞行时间相机的姿势识别框架 165
4.1 实验设置 167
4.2 拓扑方法 168
4.3 体积测量法 171
4.4 实验结果 172
5 讨论和结论 174
参考文献 177
第9章 飞行时间相机在室内定位与导航中的应用 179
1 引言 179
2 基于CityGML模型的室内定位 181
2.1 通过对象探测的房间识别 183
2.2 采用距离测量的精确定位 183
3 地图测绘和自身运动估计 183
3.1 传感器数据处理 183
3.2 地图测绘和自身运动估计 185
4 3D防撞 186
5 结论与展望 187
参考文献 188
第10章 飞行时间测距相机与立体视觉系统：比较与数据融合 191
1 立体视觉系统 191
1.1 立体视觉系统的基本几何原理 191
1.2 立体视觉算法 193
1.3 局部立体算法 194
1.4 全局立体视觉算法 195
1.5 半全局立体视觉算法 196
2 飞行时间相机与立体视觉系统的比较 197
2.1 基本测量参数 197
2.2 飞行时间相机和立体视觉系统的准确性、精确性和分辨率 198
2.3 实验比较 202
3 飞行时间相机和立体视觉系统的数据融合 204
3.1 采集系统的特性 205
3.2 局部融合算法 207
3.3 全局融合算法 209
3.4 半全局融合算法 209
4 结论 210
参考文献 211