1. Что такое камеры с измерением времени пролета?

Камеры с измерением времени пролета (ToF) — это тип технологии определения глубины, которая измеряет расстояние между камерой и объектами в сцене, используя время, необходимое свету для прохождения до объектов и обратно к камере. Они широко используются в различных приложениях, таких как дополненная реальность, робототехника, 3D-сканирование, распознавание жестов и многое другое.

ToF-камерыПринцип работы заключается в излучении светового сигнала, обычно инфракрасного, и измерении времени, необходимого для отражения сигнала после попадания на объекты в кадре. Это измерение времени затем используется для расчета расстояния до объектов, что позволяет создать карту глубины или трехмерное представление сцены.

Камеры измерения времени пролета

По сравнению с другими технологиями определения глубины, такими как структурированный свет или стереоскопическое зрение, ToF-камеры обладают рядом преимуществ. Они предоставляют информацию о глубине в реальном времени, имеют относительно простую конструкцию и могут работать в различных условиях освещения. ToF-камеры также компактны и могут быть интегрированы в небольшие устройства, такие как смартфоны, планшеты и носимые устройства.

Области применения ToF-камер разнообразны. В дополненной реальности ToF-камеры могут точно определять глубину объектов и повышать реализм виртуальных объектов, размещенных в реальном мире. В робототехнике они позволяют роботам более эффективно воспринимать окружающую среду и преодолевать препятствия. В 3D-сканировании ToF-камеры могут быстро фиксировать геометрию объектов или окружающей среды для различных целей, таких как виртуальная реальность, игры или 3D-печать. Они также используются в биометрических приложениях, таких как распознавание лиц или жестов рук.

二、Компоненты камер с измерением времени пролета

Камеры с измерением времени пролета (ToF)Системы ToF-камер состоят из нескольких ключевых компонентов, работающих вместе для обеспечения определения глубины и измерения расстояния. Конкретные компоненты могут различаться в зависимости от конструкции и производителя, но вот основные элементы, обычно встречающиеся в системах ToF-камер:

Источник света:

Камеры ToF используют источник света для излучения светового сигнала, обычно в виде инфракрасного (ИК) излучения. Источником света может быть светодиод (LED) или лазерный диод, в зависимости от конструкции камеры. Излучаемый свет распространяется в направлении объектов в кадре.

Оптика:

Линза собирает отраженный свет и проецирует изображение окружающей среды на датчик изображения (матрицу фокальной плоскости). Оптический полосовой фильтр пропускает только свет с той же длиной волны, что и осветительный прибор. Это помогает подавлять посторонний свет и уменьшать шум.

Датчик изображения:

Это сердце TOF-камеры. Каждый пиксель измеряет время, за которое свет проходит от источника освещения (лазера или светодиода) до объекта и обратно к фокальной плоскости.

Схема синхронизации:

Для точного измерения времени прохождения сигнала камере необходима прецизионная схема синхронизации. Эта схема управляет излучением светового сигнала и определяет время, необходимое свету для прохождения до объектов и возвращения к камере. Она синхронизирует процессы излучения и обнаружения для обеспечения точных измерений расстояния.

Модуляция:

НекоторыйToF-камерыВ этих камерах используются методы модуляции для повышения точности и надежности измерений расстояния. Камеры модулируют излучаемый световой сигнал по определенному шаблону или частоте. Модуляция помогает отличать излучаемый свет от других источников окружающего света и повышает способность камеры различать различные объекты в кадре.

Алгоритм расчета глубины:

Для преобразования измерений времени пролета в информацию о глубине камеры ToF используют сложные алгоритмы. Эти алгоритмы анализируют данные о времени, полученные от фотодетектора, и вычисляют расстояние между камерой и объектами в сцене. Алгоритмы вычисления глубины часто включают компенсацию таких факторов, как скорость распространения света, время отклика датчика и помехи от окружающего освещения.

Вывод данных о глубине:

После вычисления глубины ToF-камера выдает данные о глубине. Эти данные могут представлять собой карту глубины, облако точек или трехмерное представление сцены. Данные о глубине могут использоваться приложениями и системами для реализации различных функций, таких как отслеживание объектов, дополненная реальность или навигация роботов.

Важно отметить, что конкретная реализация и компоненты ToF-камер могут различаться у разных производителей и моделей. Развитие технологий может привести к появлению дополнительных функций и улучшений для повышения производительности и возможностей систем ToF-камер.

三、Приложения

Автомобильные приложения

Камеры измерения времени пролетаОни используются в системах помощи и обеспечения безопасности в современных автомобильных приложениях, таких как активная защита пешеходов, обнаружение препятствий перед столкновением и в приложениях для использования внутри помещений, например, обнаружение выхода за пределы допустимого положения (OOP).

Применение ToF-камер

Человеко-машинные интерфейсы и игры

As камеры времени пролетаБлагодаря возможности получения изображений на расстоянии в реальном времени, легко отслеживать движения людей. Это открывает новые возможности взаимодействия с потребительскими устройствами, такими как телевизоры. Еще одна тема — использование таких камер для взаимодействия с играми на игровых консолях. Датчик Kinect второго поколения, первоначально входящий в состав консоли Xbox One, использовал камеру с измерением расстояния методом времени пролета, что позволило создавать естественные пользовательские интерфейсы и игровые приложения с использованием методов компьютерного зрения и распознавания жестов.

Компании Creative и Intel также предлагают аналогичную интерактивную камеру с датчиком глубины для игр, работающую на основе технологии распознавания жестов — Senz3D, созданную на базе камеры DepthSense 325 от Softkinetic. Infineon и PMD Technologies создают миниатюрные интегрированные 3D-камеры глубины для управления жестами на близком расстоянии в потребительских устройствах, таких как моноблоки и ноутбуки (камеры Picco flexx и Picco monstar).

Применение ToF-камер в играх

камеры смартфонов

Некоторые смартфоны оснащены камерами с технологией Time-of-Flight (Time-of-Flight). Они в основном используются для улучшения качества фотографий, предоставляя программному обеспечению камеры информацию о переднем и заднем плане. Первым мобильным телефоном, использующим такую ​​технологию, стал LG G3, выпущенный в начале 2014 года.

Применение ToF-камер в мобильных телефонах

Измерения и машинное зрение

Другие области применения включают задачи измерения, например, высоты заполнения силосов. В промышленном машинном зрении камера с измерением времени пролета помогает классифицировать и определять местоположение объектов для использования роботами, например, предметов, проходящих по конвейеру. Системы управления дверями могут легко различать животных и людей, приближающихся к двери.

Робототехника

Еще одно применение этих камер — в области робототехники: мобильные роботы могут очень быстро создавать карту окружающей среды, что позволяет им избегать препятствий или следовать за ведущим человеком. Поскольку расчет расстояния прост, используется лишь небольшая вычислительная мощность. Так как эти камеры также могут использоваться для измерения расстояния, команды, участвующие в соревнованиях FIRST Robotics Competition, используют эти устройства для выполнения автономных задач.

Топография Земли

ToF-камерыОни использовались для получения цифровых моделей рельефа земной поверхности для исследований в области геоморфологии.

Применение ToF-камер в геоморфологии