I. Was sind Time-of-Flight-Kameras?

Time-of-Flight-Kameras (ToF-Kameras) sind eine Tiefensensortechnologie, die die Entfernung zwischen Kamera und Objekten in der Szene misst, indem sie die Laufzeit des Lichts zu den Objekten und zurück zur Kamera erfasst. Sie werden häufig in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Augmented Reality, Robotik, 3D-Scanning, Gestenerkennung und mehr.

ToF-KamerasDas System funktioniert, indem es ein Lichtsignal, typischerweise Infrarotlicht, aussendet und die Zeit misst, die das Signal benötigt, um nach dem Auftreffen auf Objekte in der Szene zurückgeworfen zu werden. Aus dieser Zeitmessung wird dann die Entfernung zu den Objekten berechnet, wodurch eine Tiefenkarte oder eine 3D-Darstellung der Szene entsteht.

Die Flugzeitkameras

Im Vergleich zu anderen Tiefenmesstechnologien wie Strukturlicht oder Stereosehen bieten ToF-Kameras mehrere Vorteile. Sie liefern Tiefeninformationen in Echtzeit, sind relativ einfach aufgebaut und funktionieren unter verschiedenen Lichtverhältnissen. Zudem sind ToF-Kameras kompakt und lassen sich in kleinere Geräte wie Smartphones, Tablets und Wearables integrieren.

Die Einsatzmöglichkeiten von ToF-Kameras sind vielfältig. In der Augmented Reality (AR) erfassen sie präzise die Tiefe von Objekten und verbessern so den Realismus virtueller Objekte in der realen Welt. In der Robotik ermöglichen sie Robotern, ihre Umgebung wahrzunehmen und Hindernisse effektiver zu umfahren. Beim 3D-Scannen erfassen ToF-Kameras schnell die Geometrie von Objekten oder Umgebungen für verschiedene Zwecke wie Virtual Reality, Gaming oder 3D-Druck. Sie kommen auch in biometrischen Anwendungen wie Gesichts- oder Gestenerkennung zum Einsatz.

二、Komponenten von Laufzeitkameras

Time-of-Flight (ToF)-KamerasSie bestehen aus mehreren Schlüsselkomponenten, die zusammenarbeiten, um Tiefenerfassung und Entfernungsmessung zu ermöglichen. Die spezifischen Komponenten können je nach Design und Hersteller variieren, aber hier sind die grundlegenden Elemente, die typischerweise in ToF-Kamerasystemen zu finden sind:

Lichtquelle:

ToF-Kameras nutzen eine Lichtquelle, um ein Lichtsignal, üblicherweise Infrarotlicht (IR), auszusenden. Je nach Kameramodell kann die Lichtquelle eine LED (Leuchtdiode) oder eine Laserdiode sein. Das ausgesendete Licht breitet sich auf die Objekte in der Szene aus.

Optik:

Eine Linse bündelt das reflektierte Licht und bildet die Umgebung auf den Bildsensor (Focal Plane Array) ab. Ein optischer Bandpassfilter lässt nur Licht mit der gleichen Wellenlänge wie die Beleuchtungseinheit durch. Dies unterdrückt unerwünschtes Licht und reduziert das Rauschen.

Bildsensor:

Dies ist das Herzstück der TOF-Kamera. Jedes Pixel misst die Zeit, die das Licht benötigt, um von der Beleuchtungseinheit (Laser oder LED) zum Objekt und zurück zum Brennebenenarray zu gelangen.

Zeitschaltung:

Um die Laufzeit präzise zu messen, benötigt die Kamera eine genaue Zeitmessschaltung. Diese Schaltung steuert die Aussendung des Lichtsignals und erfasst die Zeit, die das Licht benötigt, um zu den Objekten zu gelangen und zur Kamera zurückzukehren. Sie synchronisiert die Sende- und Empfangsprozesse, um genaue Entfernungsmessungen zu gewährleisten.

Modulation:

MancheToF-KamerasUm die Genauigkeit und Robustheit von Entfernungsmessungen zu verbessern, werden Modulationstechniken eingesetzt. Diese Kameras modulieren das ausgesendete Lichtsignal mit einem spezifischen Muster oder einer bestimmten Frequenz. Die Modulation hilft, das ausgesendete Licht von anderen Umgebungslichtquellen zu unterscheiden und verbessert die Fähigkeit der Kamera, verschiedene Objekte in der Szene zu differenzieren.

Tiefenberechnungsalgorithmus:

Um die Laufzeitmessungen in Tiefeninformationen umzuwandeln, nutzen ToF-Kameras hochentwickelte Algorithmen. Diese Algorithmen analysieren die vom Fotodetektor empfangenen Zeitdaten und berechnen die Entfernung zwischen der Kamera und den Objekten in der Szene. Die Tiefenberechnungsalgorithmen berücksichtigen dabei häufig Faktoren wie Lichtausbreitungsgeschwindigkeit, Sensorreaktionszeit und Umgebungslichtstörungen.

Tiefendatenausgabe:

Nach der Tiefenberechnung liefert die ToF-Kamera Tiefendaten. Diese können als Tiefenkarte, Punktwolke oder 3D-Darstellung der Szene ausgegeben werden. Anwendungen und Systeme nutzen diese Tiefendaten für verschiedene Funktionen wie Objektverfolgung, Augmented Reality oder Roboternavigation.

Es ist wichtig zu beachten, dass die konkrete Implementierung und die Komponenten von ToF-Kameras je nach Hersteller und Modell variieren können. Technologische Fortschritte können zusätzliche Funktionen und Verbesserungen mit sich bringen, um die Leistung und die Fähigkeiten von ToF-Kamerasystemen zu optimieren.

三、Anwendungen

Automobilanwendungen

Laufzeitkameraswerden in Assistenz- und Sicherheitsfunktionen für fortschrittliche Automobilanwendungen wie aktive Fußgängersicherheit, Kollisionserkennung und Innenraumanwendungen wie Positionsabweichungserkennung (OOP) eingesetzt.

Die Anwendung von ToF-Kameras

Mensch-Maschine-Schnittstellen und Spiele

As LaufzeitkamerasDurch die Echtzeit-Erfassung von Entfernungsbildern lassen sich menschliche Bewegungen leicht verfolgen. Dies ermöglicht neue Interaktionen mit Endgeräten wie Fernsehern. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Nutzung dieser Kameras zur Interaktion mit Spielen auf Videospielkonsolen. Der Kinect-Sensor der zweiten Generation, der ursprünglich mit der Xbox One-Konsole geliefert wurde, nutzte eine Time-of-Flight-Kamera für die Entfernungsmessung und ermöglichte so intuitive Benutzeroberflächen und Spieleanwendungen mithilfe von Computer Vision und Gestenerkennung.

Creative und Intel bieten mit der Senz3D, basierend auf der DepthSense 325-Kamera von Softkinetic, ebenfalls eine interaktive Gesten-Time-of-Flight-Kamera für Spiele an. Infineon und PMD Technologies ermöglichen winzige, integrierte 3D-Tiefenkameras für die Gestensteuerung im Nahbereich in Endgeräten wie All-in-One-PCs und Laptops (Picco flexx- und Picco monstar-Kameras).

Die Anwendung von ToF-Kameras in Spielen

Smartphone-Kameras

Viele Smartphones verfügen über Time-of-Flight-Kameras. Diese dienen hauptsächlich der Verbesserung der Fotoqualität, indem sie der Kamerasoftware Informationen über Vorder- und Hintergrund liefern. Das erste Mobiltelefon mit dieser Technologie war das LG G3, das Anfang 2014 auf den Markt kam.

Die Anwendung von ToF-Kameras in Mobiltelefonen

Messung und maschinelles Sehen

Weitere Anwendungsgebiete sind Messaufgaben, beispielsweise zur Bestimmung des Füllstands in Silos. In der industriellen Bildverarbeitung hilft die Time-of-Flight-Kamera bei der Klassifizierung und Lokalisierung von Objekten für den Einsatz durch Roboter, etwa von Gegenständen auf einem Förderband. Türsteuerungen können problemlos zwischen Tieren und Menschen unterscheiden, die sich der Tür nähern.

Robotik

Ein weiteres Anwendungsgebiet dieser Kameras ist die Robotik: Mobile Roboter können sehr schnell eine Karte ihrer Umgebung erstellen und so Hindernissen ausweichen oder einer Führungsperson folgen. Da die Entfernungsberechnung einfach ist, wird nur wenig Rechenleistung benötigt. Da diese Kameras auch zur Entfernungsmessung eingesetzt werden können, nutzen Teams der FIRST Robotics Competition die Geräte bekanntermaßen für autonome Abläufe.

Erdtopographie

ToF-Kameraswurden verwendet, um digitale Höhenmodelle der Erdoberflächentopographie für geomorphologische Studien zu erhalten.

Die Anwendung von ToF-Kameras in der Geomorphologie