一、กล้อง Time of Flight คืออะไร?

กล้อง Time-of-flight (ToF) เป็นเทคโนโลยีตรวจจับความลึกชนิดหนึ่งที่วัดระยะห่างระหว่างกล้องกับวัตถุในฉากโดยใช้เวลาที่แสงใช้ในการเดินทางไปยังวัตถุและกลับมายังกล้อง โดยทั่วไปแล้วจะใช้กันอย่างแพร่หลายในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น เทคโนโลยีความจริงเสริม (AR), หุ่นยนต์, การสแกน 3 มิติ, การจดจำท่าทาง และอื่นๆ

กล้อง ToFหลักการทำงานคือการปล่อยสัญญาณแสง ซึ่งโดยทั่วไปคือแสงอินฟราเรด และวัดเวลาที่สัญญาณใช้ในการสะท้อนกลับหลังจากกระทบกับวัตถุในฉาก การวัดเวลาดังกล่าวจะถูกนำมาใช้ในการคำนวณระยะห่างจากวัตถุ ทำให้เกิดแผนที่ความลึกหรือภาพจำลองสามมิติของฉาก

กล้องวัดเวลาบิน

เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีการตรวจจับความลึกอื่นๆ เช่น แสงโครงสร้างหรือระบบภาพสามมิติ กล้อง ToF มีข้อดีหลายประการ ได้แก่ การให้ข้อมูลความลึกแบบเรียลไทม์ การออกแบบที่ค่อนข้างเรียบง่าย และสามารถทำงานได้ในสภาพแสงต่างๆ กล้อง ToF ยังมีขนาดกะทัดรัดและสามารถรวมเข้ากับอุปกรณ์ขนาดเล็ก เช่น สมาร์ทโฟน แท็บเล็ต และอุปกรณ์สวมใส่ได้

กล้อง ToF มีการใช้งานที่หลากหลาย ในเทคโนโลยีความจริงเสริม (Augmented Reality) กล้อง ToF สามารถตรวจจับความลึกของวัตถุได้อย่างแม่นยำ และเพิ่มความสมจริงให้กับวัตถุเสมือนที่วางอยู่ในโลกแห่งความเป็นจริง ในด้านหุ่นยนต์ กล้อง ToF ช่วยให้หุ่นยนต์รับรู้สภาพแวดล้อมและนำทางผ่านสิ่งกีดขวางได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ในการสแกน 3 มิติ กล้อง ToF สามารถบันทึกรูปทรงเรขาคณิตของวัตถุหรือสภาพแวดล้อมได้อย่างรวดเร็วเพื่อวัตถุประสงค์ต่างๆ เช่น ความจริงเสมือน (Virtual Reality) เกม หรือการพิมพ์ 3 มิติ นอกจากนี้ยังใช้ในแอปพลิเคชันทางชีวมาตร เช่น การจดจำใบหน้าหรือการจดจำท่าทางมือ

二、ส่วนประกอบของกล้องวัดเวลาการเดินทางของแสง (Time of Flight Camera)

กล้อง Time-of-flight (ToF)ประกอบด้วยส่วนประกอบหลักหลายอย่างที่ทำงานร่วมกันเพื่อให้สามารถตรวจจับความลึกและวัดระยะทางได้ ส่วนประกอบเฉพาะอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการออกแบบและผู้ผลิต แต่ต่อไปนี้คือองค์ประกอบพื้นฐานที่มักพบในระบบกล้อง ToF:

แหล่งกำเนิดแสง:

กล้อง ToF ใช้แหล่งกำเนิดแสงเพื่อปล่อยสัญญาณแสง ซึ่งโดยปกติจะเป็นแสงอินฟราเรด (IR) แหล่งกำเนิดแสงอาจเป็น LED (ไดโอดเปล่งแสง) หรือไดโอดเลเซอร์ ขึ้นอยู่กับการออกแบบของกล้อง แสงที่ปล่อยออกมาจะเดินทางไปยังวัตถุในภาพ

เลนส์:

เลนส์จะรวบรวมแสงสะท้อนและสร้างภาพสภาพแวดล้อมลงบนเซ็นเซอร์รับภาพ (อาร์เรย์ระนาบโฟกัส) ตัวกรองแสงแบบแถบความถี่จะยอมให้เฉพาะแสงที่มีความยาวคลื่นเดียวกันกับหน่วยให้แสงสว่างผ่านไปได้ ซึ่งจะช่วยลดแสงที่ไม่เกี่ยวข้องและลดสัญญาณรบกวน

เซ็นเซอร์ภาพ:

นี่คือหัวใจสำคัญของกล้อง TOF แต่ละพิกเซลจะวัดเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางจากหน่วยให้แสงสว่าง (เลเซอร์หรือ LED) ไปยังวัตถุและกลับมายังอาร์เรย์ระนาบโฟกัส

วงจรจับเวลา:

ในการวัดเวลาการเดินทางของแสงอย่างแม่นยำ กล้องจำเป็นต้องมีวงจรจับเวลาที่แม่นยำ วงจรนี้ควบคุมการปล่อยสัญญาณแสงและตรวจจับเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางไปยังวัตถุและกลับมายังกล้อง โดยจะทำการซิงโครไนซ์กระบวนการปล่อยและตรวจจับเพื่อให้แน่ใจว่าการวัดระยะทางมีความแม่นยำ

การปรับสัญญาณ:

บางกล้อง ToFกล้องเหล่านี้ใช้เทคนิคการมอดูเลชั่นเพื่อปรับปรุงความแม่นยำและความเสถียรของการวัดระยะทาง โดยจะมอดูเลชั่นสัญญาณแสงที่ปล่อยออกมาด้วยรูปแบบหรือความถี่เฉพาะ การมอดูเลชั่นช่วยแยกแยะแสงที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดแสงอื่นๆ ในสภาพแวดล้อม และเพิ่มความสามารถของกล้องในการแยกแยะวัตถุต่างๆ ในฉากได้ดียิ่งขึ้น

อัลกอริทึมการคำนวณความลึก:

กล้อง ToF ใช้ขั้นตอนวิธีที่ซับซ้อนในการแปลงข้อมูลการวัดเวลาการเดินทางของแสง (Time-of-Flight: ToF) ให้เป็นข้อมูลความลึก ขั้นตอนวิธีเหล่านี้จะวิเคราะห์ข้อมูลเวลาที่ได้รับจากตัวตรวจจับแสงและคำนวณระยะห่างระหว่างกล้องกับวัตถุในฉาก ขั้นตอนวิธีคำนวณความลึกมักเกี่ยวข้องกับการชดเชยปัจจัยต่างๆ เช่น ความเร็วในการแพร่กระจายของแสง เวลาตอบสนองของเซ็นเซอร์ และการรบกวนจากแสงโดยรอบ

ข้อมูลความลึกที่แสดง:

เมื่อทำการคำนวณความลึกเสร็จแล้ว กล้อง ToF จะให้ข้อมูลความลึกออกมา ซึ่งอาจอยู่ในรูปแบบของแผนที่ความลึก กลุ่มจุด หรือภาพจำลอง 3 มิติของฉาก ข้อมูลความลึกนี้สามารถนำไปใช้ในแอปพลิเคชันและระบบต่างๆ เพื่อเปิดใช้งานฟังก์ชันต่างๆ เช่น การติดตามวัตถุ ความจริงเสริม หรือการนำทางหุ่นยนต์

สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือ การใช้งานและส่วนประกอบเฉพาะของกล้อง ToF อาจแตกต่างกันไปในแต่ละผู้ผลิตและรุ่น ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอาจนำเสนอคุณสมบัติและการปรับปรุงเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและขีดความสามารถของระบบกล้อง ToF

三、แอปพลิเคชัน

การใช้งานในยานยนต์

กล้องวัดเวลาบินมีการใช้งานในฟังก์ชันช่วยเหลือและความปลอดภัยสำหรับแอปพลิเคชันยานยนต์ขั้นสูง เช่น ระบบความปลอดภัยสำหรับคนเดินเท้า การตรวจจับก่อนเกิดอุบัติเหตุ และแอปพลิเคชันภายในอาคาร เช่น การตรวจจับการอยู่นอกตำแหน่ง (OOP)

การประยุกต์ใช้กล้อง ToF

ส่วนต่อประสานระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักรและการเล่นเกม

As กล้องไทม์ออฟไฟลท์การถ่ายภาพระยะไกลแบบเรียลไทม์ช่วยให้ติดตามการเคลื่อนไหวของมนุษย์ได้ง่าย สิ่งนี้ทำให้เกิดปฏิสัมพันธ์ใหม่ๆ กับอุปกรณ์ของผู้บริโภค เช่น โทรทัศน์ อีกประเด็นหนึ่งคือการใช้กล้องประเภทนี้ในการโต้ตอบกับเกมบนเครื่องเล่นเกมคอนโซล เซ็นเซอร์ Kinect รุ่นที่สองที่มาพร้อมกับเครื่อง Xbox One ในตอนแรกใช้กล้องแบบ Time-of-Flight สำหรับการถ่ายภาพระยะไกล ทำให้เกิดอินเทอร์เฟซผู้ใช้ที่เป็นธรรมชาติและแอปพลิเคชันเกมที่ใช้เทคนิคการมองเห็นด้วยคอมพิวเตอร์และการจดจำท่าทาง

Creative และ Intel ยังได้นำเสนออุปกรณ์กล้องตรวจจับท่าทางแบบโต้ตอบชนิดเดียวกันสำหรับการเล่นเกม นั่นคือ Senz3D ซึ่งใช้พื้นฐานจากกล้อง DepthSense 325 ของ Softkinetic นอกจากนี้ Infineon และ PMD Technologies ยังได้พัฒนาอุปกรณ์กล้องวัดความลึก 3 มิติขนาดเล็กแบบบูรณาการสำหรับการควบคุมท่าทางในระยะใกล้สำหรับอุปกรณ์ของผู้บริโภค เช่น คอมพิวเตอร์ออลอินวันและแล็ปท็อป (กล้อง Picco flexx และ Picco monstar)

การประยุกต์ใช้กล้อง ToF ในเกม

กล้องสมาร์ทโฟน

สมาร์ทโฟนหลายรุ่นมีกล้องไทม์ออฟไฟลต์ (Time-of-Flight) ซึ่งส่วนใหญ่ใช้เพื่อปรับปรุงคุณภาพของภาพถ่ายโดยการให้ข้อมูลเกี่ยวกับวัตถุในฉากหน้าและฉากหลังแก่ซอฟต์แวร์กล้อง โทรศัพท์มือถือรุ่นแรกที่ใช้เทคโนโลยีนี้คือ LG G3 ซึ่งวางจำหน่ายในช่วงต้นปี 2014

การประยุกต์ใช้กล้อง ToF ในโทรศัพท์มือถือ

การวัดและการมองเห็นด้วยเครื่องจักร

แอปพลิเคชันอื่นๆ ได้แก่ งานวัด เช่น การวัดระดับความสูงของวัสดุในไซโล ในระบบวิชั่นสำหรับเครื่องจักรในอุตสาหกรรม กล้องวัดระยะการมองเห็น (Time-of-Flight) ช่วยในการจำแนกและระบุตำแหน่งของวัตถุเพื่อใช้โดยหุ่นยนต์ เช่น สิ่งของที่เคลื่อนผ่านสายพานลำเลียง ระบบควบคุมประตูสามารถแยกแยะได้อย่างง่ายดายระหว่างสัตว์และมนุษย์ที่เข้ามาใกล้ประตู

หุ่นยนต์

อีกหนึ่งการใช้งานของกล้องเหล่านี้คือในด้านหุ่นยนต์: หุ่นยนต์เคลื่อนที่สามารถสร้างแผนที่สภาพแวดล้อมรอบตัวได้อย่างรวดเร็ว ทำให้พวกมันสามารถหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางหรือติดตามบุคคลที่นำทางได้ เนื่องจากการคำนวณระยะทางนั้นง่าย จึงใช้พลังการประมวลผลเพียงเล็กน้อย เนื่องจากกล้องเหล่านี้สามารถใช้ในการวัดระยะทางได้เช่นกัน ทีมที่เข้าร่วมการแข่งขัน FIRST Robotics Competition จึงมักใช้กล้องเหล่านี้สำหรับภารกิจอัตโนมัติต่างๆ

ลักษณะภูมิประเทศของโลก

กล้อง ToFได้ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างแบบจำลองระดับความสูงดิจิทัลของพื้นผิวโลก สำหรับการศึกษาทางด้านธรณีสัณฐานวิทยา

การประยุกต์ใช้กล้อง ToF ในด้านธรณีสัณฐานวิทยา