Какво представляват камерите за измерване на времето на полет?

Камерите с времеизмерване на времето на полет (ToF) са вид технология за измерване на дълбочина, която измерва разстоянието между камерата и обектите в сцената, като използва времето, необходимо на светлината да стигне до обектите и обратно до камерата. Те се използват често в различни приложения като добавена реалност, роботика, 3D сканиране, разпознаване на жестове и други.

ToF камериработят чрез излъчване на светлинен сигнал, обикновено инфрачервена светлина, и измерване на времето, необходимо на сигнала да се върне обратно след като е ударил обекти в сцената. Това измерване на времето след това се използва за изчисляване на разстоянието до обектите, създавайки карта на дълбочината или 3D представяне на сцената.

Камери за измерване на времето на полета

В сравнение с други технологии за измерване на дълбочина, като структурирана светлина или стерео зрение, ToF камерите предлагат няколко предимства. Те предоставят информация за дълбочината в реално време, имат сравнително опростен дизайн и могат да работят при различни условия на осветление. ToF камерите са също така компактни и могат да бъдат интегрирани в по-малки устройства като смартфони, таблети и носими устройства.

Приложенията на ToF камерите са разнообразни. В добавената реалност ToF камерите могат точно да откриват дълбочината на обектите и да подобряват реализма на виртуалните обекти, поставени в реалния свят. В роботиката те позволяват на роботите да възприемат заобикалящата ги среда и да се ориентират по-ефективно в препятствията. При 3D сканирането ToF камерите могат бързо да заснемат геометрията на обекти или среди за различни цели, като виртуална реалност, игри или 3D печат. Те се използват и в биометрични приложения, като например разпознаване на лица или жестове с ръце.

二、Компоненти на камерите за време на полет

Камери за измерване на времето на полет (ToF)се състоят от няколко ключови компонента, които работят заедно, за да осигурят измерване на дълбочина и разстояние. Конкретните компоненти могат да варират в зависимост от дизайна и производителя, но ето основните елементи, които обикновено се срещат в системите ToF камери:

Източник на светлина:

ToF камерите използват източник на светлина, за да излъчват светлинен сигнал, обикновено под формата на инфрачервена (IR) светлина. Източникът на светлина може да бъде LED (светодиод) или лазерен диод, в зависимост от дизайна на камерата. Излъчената светлина се разпространява към обектите в сцената.

Оптика:

Леща събира отразената светлина и изобразява околната среда върху сензора за изображения (фокална равнинна решетка). Оптичен лентов филтър пропуска само светлината със същата дължина на вълната като осветителното устройство. Това помага за потискане на неподходящата светлина и намаляване на шума.

Сензор за изображение:

Това е сърцето на TOF камерата. Всеки пиксел измерва времето, необходимо на светлината да премине от осветителното устройство (лазер или LED) до обекта и обратно до фокалната равнина.

Схема за синхронизация:

За да измери точно времето на прелитане, камерата се нуждае от прецизна схема за синхронизиране. Тази схема контролира излъчването на светлинния сигнал и открива времето, необходимо на светлината да стигне до обектите и да се върне обратно към камерата. Тя синхронизира процесите на излъчване и детектиране, за да осигури точни измервания на разстоянието.

Модулация:

НякоиToF камеривключват техники за модулация, за да подобрят точността и надеждността на измерванията на разстоянието. Тези камери модулират излъчения светлинен сигнал със специфичен модел или честота. Модулацията помага за разграничаване на излъчената светлина от други източници на околна светлина и подобрява способността на камерата да прави разлика между различни обекти в сцената.

Алгоритъм за изчисляване на дълбочината:

За да преобразуват измерванията на времето на прелитане в информация за дълбочината, ToF камерите използват сложни алгоритми. Тези алгоритми анализират данните за време, получени от фотодетектора, и изчисляват разстоянието между камерата и обектите в сцената. Алгоритмите за изчисляване на дълбочината често включват компенсиране на фактори като скорост на разпространение на светлината, време за реакция на сензора и смущения от околната светлина.

Изходни данни за дълбочина:

След като се извърши изчислението на дълбочината, ToF камерата предоставя данни за дълбочината. Тези данни могат да бъдат под формата на карта на дълбочината, облак от точки или 3D представяне на сцената. Данните за дълбочината могат да се използват от приложения и системи за активиране на различни функционалности, като проследяване на обекти, добавена реалност или роботизирана навигация.

Важно е да се отбележи, че специфичната имплементация и компоненти на ToF камерите могат да варират при различните производители и модели. Напредъкът в технологиите може да въведе допълнителни функции и подобрения за подобряване на производителността и възможностите на ToF камерните системи.

三、Приложения

Автомобилни приложения

Камери за измерване на времето на полетсе използват в помощни и безопасни функции за усъвършенствани автомобилни приложения, като например активна безопасност на пешеходците, откриване преди сблъсък и приложения на закрито, като например откриване извън позиция (OOP).

Приложението на ToF камерите

Интерфейси човек-машина и игри

As камери за измерване на времето на полетпредоставяйки изображения от разстояние в реално време, е лесно да се проследяват движенията на хората. Това позволява нови взаимодействия с потребителски устройства, като например телевизори. Друга тема е използването на този тип камери за взаимодействие с игри на конзоли за видеоигри. Сензорът Kinect от второ поколение, първоначално включен в конзолата Xbox One, използваше камера за време на полет за заснемане на разстояние, което позволява естествени потребителски интерфейси и игрови приложения, използващи компютърно зрение и техники за разпознаване на жестове.

Creative и Intel също предлагат подобен тип интерактивна камера за видеоигри, базирана на жестове и време на полет - Senz3D, базирана на камерата DepthSense 325 на Softkinetic. Infineon и PMD Technologies позволяват малки интегрирани 3D камери за дълбочина за управление с жестове от близко разстояние на потребителски устройства като персонални компютри „всичко в едно“ и лаптопи (камери Picco flexx и Picco monstar).

Приложението на ToF камерите в игрите

Камери на смартфони

Няколко смартфона включват камери, които засичат времето на полет. Те се използват главно за подобряване на качеството на снимките, като предоставят на софтуера на камерата информация за преден и заден план. Първият мобилен телефон, който използва такава технология, е LG G3, пуснат на пазара в началото на 2014 г.

Приложението на ToF камерите в мобилните телефони

Измерване и машинно зрение

Други приложения са задачи за измерване, например за височината на запълване в силози. В индустриалното машинно зрение, камерата за измерване на времето на полет помага за класифицирането и локализирането на обекти за използване от роботи, като например предмети, преминаващи по конвейер. Управлението на врати може лесно да разграничава животни от хора, достигащи вратата.

Роботика

Друго приложение на тези камери е в областта на роботиката: Мобилните роботи могат да изградят карта на заобикалящата ги среда много бързо, което им позволява да избягват препятствия или да следват водещ човек. Тъй като изчисляването на разстоянието е просто, се използва само малко изчислителна мощност. Тъй като тези камери могат да се използват и за измерване на разстояние, е известно, че отборите от състезанието FIRST Robotics използват устройствата за автономни рутини.

Топография на Земята

ToF камериса били използвани за получаване на цифрови модели на релефа на земната повърхност за изследвания в областта на геоморфологията.

Приложение на ToF камери в геоморфологията