Čo sú to kamery na meranie času letu?

Kamery s meraním času letu (ToF) sú typom technológie snímania hĺbky, ktorá meria vzdialenosť medzi kamerou a objektmi v scéne pomocou času, ktorý svetlo potrebuje na cestu k objektom a späť do kamery. Bežne sa používajú v rôznych aplikáciách, ako je rozšírená realita, robotika, 3D skenovanie, rozpoznávanie gest a ďalšie.

ToF kameryfungujú tak, že vyžarujú svetelný signál, zvyčajne infračervené svetlo, a merajú čas, ktorý je potrebný na odraz signálu späť po dopade na objekty v scéne. Toto meranie času sa potom použije na výpočet vzdialenosti k objektom, čím sa vytvorí mapa hĺbky alebo 3D znázornenie scény.

Kamery merajúce čas letu

V porovnaní s inými technológiami hĺbkového snímania, ako je štruktúrované svetlo alebo stereo videnie, ponúkajú ToF kamery niekoľko výhod. Poskytujú informácie o hĺbke v reálnom čase, majú relatívne jednoduchý dizajn a dokážu fungovať v rôznych svetelných podmienkach. ToF kamery sú tiež kompaktné a možno ich integrovať do menších zariadení, ako sú smartfóny, tablety a nositeľné zariadenia.

Aplikácie ToF kamier sú rozmanité. V rozšírenej realite dokážu ToF kamery presne detekovať hĺbku objektov a zlepšiť realizmus virtuálnych objektov umiestnených v reálnom svete. V robotike umožňujú robotom vnímať svoje okolie a efektívnejšie sa orientovať v prekážkach. V 3D skenovaní dokážu ToF kamery rýchlo zachytiť geometriu objektov alebo prostredí na rôzne účely, ako je virtuálna realita, hranie hier alebo 3D tlač. Používajú sa aj v biometrických aplikáciách, ako je rozpoznávanie tváre alebo gest rúk.

二,Komponenty kamier na meranie času letu

Kamery s meraním času letu (ToF)pozostávajú z niekoľkých kľúčových komponentov, ktoré spolupracujú na umožnení snímania hĺbky a merania vzdialenosti. Konkrétne komponenty sa môžu líšiť v závislosti od dizajnu a výrobcu, ale tu sú základné prvky, ktoré sa typicky nachádzajú v systémoch ToF kamier:

Zdroj svetla:

ToF kamery používajú svetelný zdroj na vyžarovanie svetelného signálu, zvyčajne vo forme infračerveného (IR) svetla. Zdrojom svetla môže byť LED (Light-Emitting Diode) alebo laserová dióda, v závislosti od konštrukcie kamery. Vyžarované svetlo sa šíri smerom k objektom v scéne.

Optika:

Šošovka zhromažďuje odrazené svetlo a zobrazuje okolie na obrazovom snímači (ohnisková rovina). Optický pásmový filter prepúšťa iba svetlo s rovnakou vlnovou dĺžkou ako osvetľovacia jednotka. To pomáha potlačiť nepodstatné svetlo a znížiť šum.

Obrazový snímač:

Toto je srdce TOF kamery. Každý pixel meria čas, ktorý svetlo potrebuje na cestu z osvetľovacej jednotky (laseru alebo LED) k objektu a späť do ohniskovej roviny.

Časový obvod:

Na presné meranie času letu svetla potrebuje kamera presný časovací obvod. Tento obvod riadi vyžarovanie svetelného signálu a detekuje čas, ktorý svetlo potrebuje na cestu k objektom a späť do kamery. Synchronizuje procesy vyžarovania a detekcie, aby sa zabezpečilo presné meranie vzdialenosti.

Modulácia:

NiektoríToF kameryzahŕňajú modulačné techniky na zlepšenie presnosti a robustnosti meraní vzdialenosti. Tieto kamery modulujú vyžarovaný svetelný signál špecifickým vzorom alebo frekvenciou. Modulácia pomáha rozlíšiť vyžarované svetlo od iných zdrojov okolitého svetla a zlepšuje schopnosť kamery rozlišovať medzi rôznymi objektmi v scéne.

Algoritmus výpočtu hĺbky:

Na prevod meraní doby letu svetla na informácie o hĺbke využívajú ToF kamery sofistikované algoritmy. Tieto algoritmy analyzujú časové údaje prijaté z fotodetektora a vypočítavajú vzdialenosť medzi kamerou a objektmi v scéne. Algoritmy na výpočet hĺbky často zahŕňajú kompenzáciu faktorov, ako je rýchlosť šírenia svetla, čas odozvy senzora a rušenie okolitého svetla.

Výstup údajov o hĺbke:

Po vykonaní výpočtu hĺbky poskytne ToF kamera výstup údajov o hĺbke. Tento výstup môže mať formu mapy hĺbky, mračna bodov alebo 3D znázornenia scény. Údaje o hĺbke môžu byť použité aplikáciami a systémami na umožnenie rôznych funkcií, ako je sledovanie objektov, rozšírená realita alebo robotická navigácia.

Je dôležité poznamenať, že špecifická implementácia a komponenty ToF kamier sa môžu líšiť v závislosti od výrobcu a modelu. Pokrok v technológii môže priniesť ďalšie funkcie a vylepšenia na zlepšenie výkonu a možností systémov ToF kamier.

三、Aplikácie

Automobilové aplikácie

Kamery na meranie času letusa používajú v asistenčných a bezpečnostných funkciách pre pokročilé automobilové aplikácie, ako je aktívna bezpečnosť chodcov, detekcia pred zrážkou a vnútorné aplikácie, ako je detekcia mimo svojej polohy (OOP).

Aplikácia ToF kamier

Rozhrania človek-stroj a hranie hier

As kamery na meranie času letuposkytujú snímky vzdialenosti v reálnom čase, je jednoduché sledovať pohyby ľudí. To umožňuje nové interakcie so spotrebiteľskými zariadeniami, ako sú televízory. Ďalšou témou je použitie tohto typu kamier na interakciu s hrami na herných konzolách. Senzor Kinect druhej generácie, ktorý bol pôvodne súčasťou konzoly Xbox One, používal na snímanie vzdialenosti kameru s časom letu, čo umožňovalo prirodzené používateľské rozhrania a herné aplikácie pomocou počítačového videnia a techník rozpoznávania gest.

Spoločnosti Creative a Intel tiež poskytujú podobný typ interaktívnej kamery s gestami na snímanie času letu pre hry, Senz3D, založenú na kamere DepthSense 325 od spoločnosti Softkinetic. Spoločnosti Infineon a PMD Technologies umožňujú malé integrované 3D hĺbkové kamery na ovládanie gestami zblízka na spotrebiteľských zariadeniach, ako sú all-in-one počítače a notebooky (kamery Picco flexx a Picco monstar).

Aplikácia ToF kamier v hrách

Fotoaparáty smartfónov

Niekoľko smartfónov obsahuje kamery s časom letu. Tieto sa používajú hlavne na zlepšenie kvality fotografií tým, že softvéru fotoaparátu poskytujú informácie o popredí a pozadí. Prvým mobilným telefónom, ktorý túto technológiu využíval, bol LG G3, uvedený na trh začiatkom roka 2014.

Aplikácia ToF kamier v mobilných telefónoch

Meranie a strojové videnie

Ďalšími aplikáciami sú meracie úlohy, napr. výška naplnenia v silách. V priemyselnom strojovom videní pomáha kamera s časom letu klasifikovať a lokalizovať objekty pre použitie robotmi, ako napríklad predmety prechádzajúce po dopravníku. Ovládacie prvky dverí dokážu ľahko rozlíšiť medzi zvieratami a ľuďmi, ktorí sa k dverám približujú.

Robotika

Ďalším využitím týchto kamier je oblasť robotiky: Mobilné roboty dokážu veľmi rýchlo vytvoriť mapu svojho okolia, čo im umožňuje vyhnúť sa prekážkam alebo sledovať vedúcu osobu. Keďže výpočet vzdialenosti je jednoduchý, spotrebuje sa len málo výpočtového výkonu. Keďže tieto kamery sa dajú použiť aj na meranie vzdialenosti, tímy pre súťaž FIRST Robotics Competition používajú tieto zariadenia na autonómne rutiny.

Topografia Zeme

ToF kamerysa používajú na získanie digitálnych modelov reliéfu zemského povrchu pre štúdie v geomorfológii.

Aplikácia ToF kamier v geomorfológii