一、飛行時間型カメラとは何ですか?

飛行時間型 (ToF) カメラは、光が物体に到達してからカメラに戻るまでの時間を利用して、カメラとシーン内の物体との間の距離を測定する深度センシング技術の一種です。これらは、拡張現実、ロボット工学、3D スキャン、ジェスチャ認識などのさまざまなアプリケーションで一般的に使用されています。

ToFカメラ光信号 (通常は赤外線) を放射し、その信号がシーン内のオブジェクトに当たった後に反射するまでの時間を測定することによって機能します。この時間測定はオブジェクトまでの距離を計算するために使用され、シーンの深度マップまたは 3D 表現が作成されます。

飛行時間カメラ

構造化光やステレオビジョンなどの他の深度センシング技術と比較して、ToF カメラにはいくつかの利点があります。リアルタイムの深度情報を提供し、比較的シンプルな設計で、さまざまな照明条件で動作します。ToF カメラはコンパクトでもあるため、スマートフォン、タブレット、ウェアラブル デバイスなどの小型デバイスに統合できます。

ToF カメラの用途は多岐にわたります。拡張現実では、ToF カメラはオブジェクトの深さを正確に検出し、現実世界に配置された仮想オブジェクトのリアリズムを向上させることができます。ロボット工学では、ロボットが周囲を認識し、障害物をより効果的に移動できるようになります。3D スキャンでは、ToF カメラを使用して、仮想現実、ゲーム、3D 印刷などのさまざまな目的でオブジェクトや環境のジオメトリを迅速にキャプチャできます。これらは、顔認識や手のジェスチャー認識などの生体認証アプリケーションでも使用されます。

二、飛行時間型カメラのコンポーネント

飛行時間型 (ToF) カメラは、深度センシングと距離測定を可能にするために連携して機能するいくつかの主要なコンポーネントで構成されています。特定のコンポーネントは設計やメーカーによって異なる場合がありますが、ToF カメラ システムに通常見られる基本要素は次のとおりです。

光源：

ToF カメラは、光源を使用して、通常は赤外線 (IR) 光の形式で光信号を放射します。カメラの設計に応じて、光源は LED (発光ダイオード) またはレーザー ダイオードになります。放出された光は、シーン内のオブジェクトに向かって進みます。

光学：

レンズは反射光を集め、環境をイメージ センサー (焦点面アレイ) 上に結像します。光学バンドパス フィルターは、照明ユニットと同じ波長の光のみを通過させます。これにより、関係のない光が抑制され、ノイズが軽減されます。

イメージセンサー:

これがTOFカメラの心臓部です。各ピクセルは、光が照明ユニット (レーザーまたは LED) から物体に到達し、焦点面アレイに戻るまでにかかった時間を測定します。

タイミング回路:

飛行時間を正確に測定するには、カメラに正確なタイミング回路が必要です。この回路は光信号の放射を制御し、光が物体に到達してカメラに戻るまでの時間を検出します。発光プロセスと検出プロセスを同期させて、正確な距離測定を保証します。

変調：

いくつかのToFカメラ変調技術を組み込んで、距離測定の精度と堅牢性を向上させます。これらのカメラは、放射された光信号を特定のパターンまたは周波数で変調します。変調は、放出された光を他の周囲光源から区別するのに役立ち、シーン内の異なるオブジェクトを区別するカメラの能力を強化します。

深さ計算アルゴリズム:

飛行時間測定値を深度情報に変換するために、ToF カメラは高度なアルゴリズムを利用します。これらのアルゴリズムは、光検出器から受信したタイミング データを分析し、カメラとシーン内のオブジェクト間の距離を計算します。深度計算アルゴリズムには、光の伝播速度、センサーの応答時間、周囲光の干渉などの要素の補正が含まれることがよくあります。

深度データ出力:

深度計算が実行されると、ToF カメラは深度データ出力を提供します。この出力は、深度マップ、点群、またはシーンの 3D 表現の形式を取ることができます。アプリケーションやシステムは深度データを使用して、オブジェクト追跡、拡張現実、ロボット ナビゲーションなどのさまざまな機能を有効にすることができます。

ToF カメラの具体的な実装とコンポーネントはメーカーやモデルによって異なる場合があることに注意することが重要です。テクノロジーの進歩により、ToF カメラ システムのパフォーマンスと機能を向上させるための追加機能や機能強化が導入される場合があります。

三、用途

自動車用途

飛行時間型カメラこれらは、アクティブな歩行者安全、プリクラッシュ検出、位置外れ (OOP) 検出などの屋内アプリケーションなどの高度な自動車アプリケーションの支援および安全機能に使用されます。

ToFカメラの応用

ヒューマンマシンインターフェースとゲーム

As 飛行時間型カメラリアルタイムに距離画像を提供するため、人の動きを簡単に追跡できます。これにより、テレビなどの消費者向けデバイスとの新しい対話が可能になります。もう 1 つのトピックは、このタイプのカメラを使用してビデオ ゲーム コンソールのゲームと対話することです。Xbox One コンソールに元々付属していた第 2 世代 Kinect センサーは、距離イメージングに飛行時間型カメラを使用し、自然なユーザー インターフェイスとゲームを可能にしました。コンピュータービジョンとジェスチャー認識技術を使用したアプリケーション。

Creative と Intel は、同様のタイプのゲーム用インタラクティブ ジェスチャ飛行時間カメラ、Softkinetic の DepthSense 325 カメラをベースにした Senz3D も提供しています。インフィニオンとPMDテクノロジーは、オールインワンPCやラップトップ（Picco flexxおよびPicco monstarカメラ）などの民生用デバイスの近距離ジェスチャー制御用の小型統合3D深度カメラを可能にします。

ToF カメラのゲームへの応用

スマートフォンのカメラ

一部のスマートフォンには飛行時間型カメラが搭載されています。これらは主に、カメラ ソフトウェアに前景と背景に関する情報を提供することで写真の品質を向上させるために使用されます。このような技術を採用した最初の携帯電話は、2014 年初めに発売された LG G3 でした。

携帯電話におけるToFカメラの応用

計測とマシンビジョン

他の用途としては、サイロ内の充填高さなどの測定タスクがあります。産業用マシンビジョンでは、飛行時間カメラは、ロボットが使用する物体 (コンベア上を通過する品目など) を分類して位置を特定するのに役立ちます。ドア制御装置は、ドアに到達する動物と人間を簡単に区別できます。

ロボット工学

これらのカメラのもう 1 つの用途はロボット工学の分野です。移動ロボットは周囲の地図を非常に迅速に構築し、障害物を回避したり、先頭の人を追跡したりすることができます。距離の計算は単純であるため、使用される計算能力はわずかです。これらのカメラは距離の測定にも使用できるため、FIRST ロボット競技会のチームが自律的なルーチンにこのデバイスを使用していることが知られています。

地球の地形

ToFカメラ地形学の研究のために、地球の表面地形の数値標高モデルを取得するために使用されています。

地形学における ToF カメラの応用