Що таке камери вимірювання часу польоту?

Камери з вимірюванням часу прольоту (ToF) – це тип технології вимірювання глибини, яка вимірює відстань між камерою та об'єктами в кадрі, використовуючи час, необхідний світлу для досягнення об'єктів і назад до камери. Вони зазвичай використовуються в різних сферах, таких як доповнена реальність, робототехніка, 3D-сканування, розпізнавання жестів тощо.

ToF-камерипрацюють, випромінюючи світловий сигнал, зазвичай інфрачервоне світло, та вимірюючи час, необхідний для відбиття сигналу після удару об об'єкти в сцені. Це вимірювання часу потім використовується для обчислення відстані до об'єктів, створення карти глибини або 3D-зображення сцени.

Камери часу польоту

Порівняно з іншими технологіями глибинного зондування, такими як структуроване світло або стереобачення, ToF-камери пропонують кілька переваг. Вони надають інформацію про глибину в режимі реального часу, мають відносно просту конструкцію та можуть працювати в різних умовах освітлення. ToF-камери також компактні та можуть бути інтегровані в менші пристрої, такі як смартфони, планшети та портативні пристрої.

Застосування ToF-камер різноманітне. У доповненій реальності ToF-камери можуть точно визначати глибину об'єктів та покращувати реалістичність віртуальних об'єктів, розміщених у реальному світі. У робототехніці вони дозволяють роботам сприймати навколишнє середовище та ефективніше долати перешкоди. У 3D-скануванні ToF-камери можуть швидко фіксувати геометрію об'єктів або середовищ для різних цілей, таких як віртуальна реальність, ігри або 3D-друк. Вони також використовуються в біометричних додатках, таких як розпізнавання обличчя або жестів рук.

二、Компоненти камер часу польоту

Камери з вимірюванням часу прольоту (ToF)складаються з кількох ключових компонентів, які працюють разом, щоб забезпечити вимірювання глибини та відстані. Конкретні компоненти можуть відрізнятися залежно від конструкції та виробника, але ось основні елементи, які зазвичай зустрічаються в системах ToF-камер:

Джерело світла:

ToF-камери використовують джерело світла для випромінювання світлового сигналу, зазвичай у формі інфрачервоного (ІЧ) світла. Джерелом світла може бути світлодіод (світлодіод) або лазерний діод, залежно від конструкції камери. Випромінюване світло поширюється на об'єкти в кадрі.

Оптика:

Лінза збирає відбите світло та відображає навколишнє середовище на датчику зображення (матриці фокальної площини). Оптичний смуговий фільтр пропускає лише світло з тією ж довжиною хвилі, що й освітлювальний пристрій. Це допомагає придушити стороннє світло та зменшити шум.

Датчик зображення:

Це серце TOF-камери. Кожен піксель вимірює час, який знадобився світлу для проходження шляху від освітлювального пристрою (лазера або світлодіода) до об'єкта і назад до фокальної площини.

Схема синхронізації:

Для точного вимірювання часу прольоту камері потрібна прецизійна схема синхронізації. Ця схема контролює випромінювання світлового сигналу та визначає час, необхідний світлу для досягнення об'єктів та повернення до камери. Вона синхронізує процеси випромінювання та детектування для забезпечення точних вимірювань відстані.

Модуляція:

ДеякіToF-камеривключають методи модуляції для підвищення точності та надійності вимірювань відстані. Ці камери модулюють випромінюваний світловий сигнал за певним шаблоном або частотою. Модуляція допомагає відрізнити випромінюване світло від інших джерел навколишнього світла та покращує здатність камери розрізняти різні об'єкти в сцені.

Алгоритм розрахунку глибини:

Для перетворення вимірювань часу прольоту на інформацію про глибину, ToF-камери використовують складні алгоритми. Ці алгоритми аналізують дані синхронізації, отримані від фотодетектора, та обчислюють відстань між камерою та об'єктами в сцені. Алгоритми розрахунку глибини часто включають компенсацію таких факторів, як швидкість поширення світла, час відгуку датчика та перешкоди від навколишнього освітлення.

Вихідні дані глибини:

Після виконання розрахунку глибини, камера ToF надає вихідні дані про глибину. Ці дані можуть мати форму карти глибини, хмари точок або 3D-зображення сцени. Дані про глибину можуть використовуватися програмами та системами для забезпечення різних функцій, таких як відстеження об'єктів, доповнена реальність або роботизована навігація.

Важливо зазначити, що конкретна реалізація та компоненти ToF-камер можуть відрізнятися залежно від виробника та моделі. Технологічний прогрес може запровадити додаткові функції та вдосконалення для покращення продуктивності та можливостей систем ToF-камер.

三、Програми

Автомобільні застосування

Камери з вимірюванням часу прольотувикористовуються у функціях допомоги та безпеки для передових автомобільних застосувань, таких як активна безпека пішоходів, виявлення зіткнень та застосування всередині приміщень, як-от виявлення поза межами свого позиціонування (OOP).

Застосування ToF-камер

Людино-машинні інтерфейси та ігри

As камери вимірювання часу прольотунадавати зображення відстані в режимі реального часу, легко відстежувати рухи людей. Це дозволяє використовувати нові способи взаємодії зі споживчими пристроями, такими як телевізори. Ще однією темою є використання камер цього типу для взаємодії з іграми на ігрових консолях. Датчик Kinect другого покоління, спочатку встановлений на консолі Xbox One, використовував камеру, що вимірювала час прольоту, для зображення відстані, що забезпечувало природні користувацькі інтерфейси та ігрові програми за допомогою комп'ютерного зору та методів розпізнавання жестів.

Creative та Intel також пропонують подібний тип інтерактивної камери для ігор із функцією зчитування жестів за часом прольоту – Senz3D, засновану на камері DepthSense 325 від Softkinetic. Infineon та PMD Technologies пропонують крихітні інтегровані 3D-камери глибини для керування жестами на близькій відстані споживчих пристроїв, таких як моноблоки та ноутбуки (камери Picco flexx та Picco monstar).

Застосування ToF-камер в іграх

Камери смартфонів

Кілька смартфонів оснащені камерами з функцією вимірювання часу прольоту. Вони в основному використовуються для покращення якості фотографій, надаючи програмному забезпеченню камери інформацію про передній план і фон. Першим мобільним телефоном, який використав таку технологію, був LG G3, випущений на початку 2014 року.

Застосування ToF-камер у мобільних телефонах

Вимірювання та машинний зір

Інші застосування — це завдання вимірювання, наприклад, висоти заповнення силосів. У промисловому машинному зорі камера з часом прольоту допомагає класифікувати та знаходити об'єкти для використання роботами, такі як предмети, що проходять повз конвеєр. Системи керування дверима можуть легко розрізняти тварин і людей, які наближаються до дверей.

Робототехніка

Ще одне застосування цих камер — це галузь робототехніки: мобільні роботи можуть дуже швидко створювати карту свого оточення, що дозволяє їм уникати перешкод або слідувати за людиною, яка веде їх. Оскільки розрахунок відстані простий, використовується лише невелика обчислювальна потужність. Оскільки ці камери також можна використовувати для вимірювання відстані, команди FIRST Robotics Competition, як відомо, використовують ці пристрої для автономних завдань.

Топографія Землі

ToF-камерибули використані для отримання цифрових моделей рельєфу топографії поверхні Землі для досліджень у галузі геоморфології.

Застосування ToF-камер у геоморфології