Што такое камеры вымярэння часу палёту?

Камеры з вымярэннем часу пралёту (ToF) — гэта тып тэхналогіі вымярэння глыбіні, якая вымярае адлегласць паміж камерай і аб'ектамі ў сцэне, выкарыстоўваючы час, неабходны святлу для праходжання шляху да аб'ектаў і назад да камеры. Яны шырока выкарыстоўваюцца ў розных сферах, такіх як дапоўненая рэальнасць, робататэхніка, 3D-сканаванне, распазнаванне жэстаў і іншае.

ToF-камерыпрацуюць, выпраменьваючы светлавы сігнал, звычайна інфрачырвонае святло, і вымяраючы час, неабходны для адскоку сігналу пасля траплення ў аб'екты ў сцэне. Гэта вымярэнне часу затым выкарыстоўваецца для разліку адлегласці да аб'ектаў, стварэння карты глыбіні або трохмернага прадстаўлення сцэны.

Камеры часу палёту

У параўнанні з іншымі тэхналогіямі вымярэння глыбіні, такімі як структураванае святло або стэрэабачанне, ToF-камеры маюць некалькі пераваг. Яны забяспечваюць інфармацыю аб глыбіні ў рэжыме рэальнага часу, маюць адносна простую канструкцыю і могуць працаваць у розных умовах асвятлення. ToF-камеры таксама кампактныя і могуць быць інтэграваны ў меншыя прылады, такія як смартфоны, планшэты і носімныя прылады.

Прымяненне ToF-камер разнастайнае. У дапоўненай рэальнасці ToF-камеры могуць дакладна вызначаць глыбіню аб'ектаў і паляпшаць рэалістычнасць віртуальных аб'ектаў, размешчаных у рэальным свеце. У робататэхніцы яны дазваляюць робатам успрымаць навакольнае асяроддзе і больш эфектыўна пераадольваць перашкоды. У 3D-сканаванні ToF-камеры могуць хутка фіксаваць геаметрыю аб'ектаў або асяроддзяў для розных мэтаў, такіх як віртуальная рэальнасць, гульні або 3D-друк. Яны таксама выкарыстоўваюцца ў біяметрычных прыкладаннях, такіх як распазнаванне твараў або распазнаванне жэстаў рук.

二、Кампаненты камер часу пралёту

Камеры з вымярэннем часу пралёту (ToF)складаюцца з некалькіх ключавых кампанентаў, якія працуюць разам, каб забяспечыць вымярэнне глыбіні і адлегласці. Канкрэтныя кампаненты могуць адрознівацца ў залежнасці ад канструкцыі і вытворцы, але вось асноўныя элементы, якія звычайна сустракаюцца ў сістэмах ToF-камер:

Крыніца святла:

У камерах ToF выкарыстоўваецца крыніца святла для выпраменьвання светлавога сігналу, звычайна ў выглядзе інфрачырвонага (ІЧ) выпраменьвання. Крыніцай святла можа быць святлодыёд (святлодыёд) або лазерны дыёд, у залежнасці ад канструкцыі камеры. Выпраменьванае святло накіроўваецца да аб'ектаў у кадры.

Оптыка:

Лінза збірае адлюстраванае святло і перадае выяву навакольнага асяроддзя на датчык выявы (матрыцу факальнай плоскасці). Аптычны паласавы фільтр прапускае толькі святло з той жа даўжынёй хвалі, што і асвятляльнік. Гэта дапамагае падавіць лішняе святло і паменшыць шум.

Датчык выявы:

Гэта сэрца TOF-камеры. Кожны піксель вымярае час, які спатрэбіўся святлу, каб прайсці шлях ад асвятляльніка (лазера або святлодыёда) да аб'екта і назад да масіва факальнай плоскасці.

Схема сінхранізацыі:

Каб дакладна вымераць час пралёту, камеры патрэбна дакладная схема сінхранізацыі. Гэтая схема кіруе выпраменьваннем светлавога сігналу і вызначае час, неабходны святлу, каб дабрацца да аб'ектаў і вярнуцца ў камеру. Яна сінхранізуе працэсы выпраменьвання і выяўлення, каб забяспечыць дакладнае вымярэнне адлегласці.

Мадуляцыя:

НекаторыяToF-камерыуключаюць метады мадуляцыі для павышэння дакладнасці і надзейнасці вымярэнняў адлегласці. Гэтыя камеры мадулююць выпраменьваны светлавы сігнал з пэўным малюнкам або частатой. Мадуляцыя дапамагае адрозніць выпраменьванае святло ад іншых крыніц навакольнага святла і паляпшае здольнасць камеры адрозніваць розныя аб'екты ў сцэне.

Алгарытм разліку глыбіні:

Каб пераўтварыць вымярэнні часу пралёту ў інфармацыю аб глыбіні, камеры ToF выкарыстоўваюць складаныя алгарытмы. Гэтыя алгарытмы аналізуюць дадзеныя часу, атрыманыя ад фотадэтэктара, і вылічваюць адлегласць паміж камерай і аб'ектамі ў сцэне. Алгарытмы разліку глыбіні часта ўключаюць кампенсацыю такіх фактараў, як хуткасць распаўсюджвання святла, час рэакцыі датчыка і перашкоды ад навакольнага асвятлення.

Вывад дадзеных глыбіні:

Пасля разліку глыбіні камера ToF выдае дадзеныя аб глыбіні. Гэтыя дадзеныя могуць мець выгляд карты глыбіні, воблака кропак або трохмернага прадстаўлення сцэны. Дадзеныя аб глыбіні могуць выкарыстоўвацца праграмамі і сістэмамі для рэалізацыі розных функцый, такіх як адсочванне аб'ектаў, дапоўненая рэальнасць або рабатызаваная навігацыя.

Важна адзначыць, што канкрэтная рэалізацыя і кампаненты ToF-камер могуць адрознівацца ў розных вытворцаў і мадэляў. Тэхналагічны прагрэс можа прыўнесці дадатковыя функцыі і паляпшэнні для павышэння прадукцыйнасці і магчымасцей сістэм ToF-камер.

三、Прыкладанні

Аўтамабільныя прымянення

Камеры часу пралётувыкарыстоўваюцца ў дапаможных і бяспечных функцыях для перадавых аўтамабільных прыкладанняў, такіх як актыўная бяспека пешаходаў, выяўленне перад сутыкненнем і ў памяшканнях, напрыклад, выяўленне па-за межамі свайго становішча (OOP).

Прымяненне ToF-камер

Інтэрфейсы чалавека-машыны і гульні

As камеры вымярэння часу пралётузабяспечваючы выявы адлегласці ў рэжыме рэальнага часу, лёгка адсочваць рухі людзей. Гэта дазваляе выкарыстоўваць новыя ўзаемадзеянні з бытавой тэхналогіяй, напрыклад, тэлевізарамі. Яшчэ адна тэма - выкарыстанне камер такога тыпу для ўзаемадзеяння з гульнямі на гульнявых кансолях. Датчык Kinect другога пакалення, першапачаткова ўключаны ў кансоль Xbox One, выкарыстоўваў камеру часу пралёту для атрымання выявы адлегласці, што дазваляла ствараць натуральныя карыстальніцкія інтэрфейсы і гульнявыя праграмы з выкарыстаннем камп'ютэрнага зроку і метадаў распазнавання жэстаў.

Creative і Intel таксама прапануюць падобны тып інтэрактыўнай камеры жэстаў для гульняў — Senz3D, заснаваную на камеры DepthSense 325 ад Softkinetic. Infineon і PMD Technologies дазваляюць выкарыстоўваць мікрасхемныя інтэграваныя 3D-камеры глыбіні для кіравання жэстамі на блізкай адлегласці спажывецкіх прылад, такіх як мультывары і ноўтбукі (камеры Picco flexx і Picco monstar).

Прымяненне ToF-камер у гульнях

Камеры смартфонаў

Некалькі смартфонаў маюць камеры з функцыяй адсочвання часу пралёту. Яны ў асноўным выкарыстоўваюцца для паляпшэння якасці фатаграфій, бо забяспечваюць праграмнае забеспячэнне камеры інфармацыяй пра пярэдні і задні план. Першым мабільным тэлефонам, які выкарыстаў такую ​​тэхналогію, быў LG G3, выпушчаны ў пачатку 2014 года.

Прымяненне ToF-камер у мабільных тэлефонах

Вымярэнне і машынны зрок

Іншыя сферы прымянення — гэта вымяральныя задачы, напрыклад, вымярэнне вышыні напаўнення ў сіласах. У прамысловым машынным зроку камера з часам пралёту дапамагае класіфікаваць і лакалізаваць аб'екты для выкарыстання робатамі, такія як прадметы, якія праходзяць міма па канвееры. Сістэмы кіравання дзвярыма могуць лёгка адрозніваць жывёл ад людзей, якія набліжаюцца да дзвярэй.

Робататэхніка

Яшчэ адно прымяненне гэтых камер — гэта сфера робататэхнікі: мабільныя робаты могуць вельмі хутка ствараць карту свайго асяроддзя, што дазваляе ім пазбягаць перашкод або ісці за чалавекам, які вядзе іх. Паколькі разлік адлегласці просты, выкарыстоўваецца вельмі мала вылічальнай магутнасці. Паколькі гэтыя камеры таксама можна выкарыстоўваць для вымярэння адлегласці, каманды FIRST Robotics Competition, як вядома, выкарыстоўваюць прылады для аўтаномных задач.

Тапаграфія Зямлі

ToF-камерывыкарыстоўваліся для атрымання лічбавых мадэляў рэльефу тапаграфіі паверхні Зямлі для даследаванняў у галіне геамарфалогіі.

Прымяненне ToF-камер у геамарфалогіі