أولاً: ما هي كاميرات زمن الرحلة؟

كاميرات قياس زمن الرحلة (ToF) هي نوع من تقنيات استشعار العمق التي تقيس المسافة بين الكاميرا والأجسام في المشهد باستخدام الزمن الذي يستغرقه الضوء للوصول إلى الأجسام والعودة إلى الكاميرا. وتُستخدم هذه الكاميرات على نطاق واسع في تطبيقات متنوعة مثل الواقع المعزز، والروبوتات، والمسح ثلاثي الأبعاد، والتعرف على الإيماءات، وغيرها.

كاميرات ToFتعمل هذه التقنية عن طريق إرسال إشارة ضوئية، عادةً ما تكون ضوءًا تحت أحمر، وقياس الزمن الذي تستغرقه الإشارة للارتداد بعد اصطدامها بالأجسام في المشهد. ثم يُستخدم قياس هذا الزمن لحساب المسافة إلى الأجسام، مما يُنشئ خريطة عمق أو تمثيلًا ثلاثي الأبعاد للمشهد.

كاميرات قياس زمن الرحلة

بالمقارنة مع تقنيات استشعار العمق الأخرى مثل الإضاءة المنظمة أو الرؤية المجسمة، توفر كاميرات ToF العديد من المزايا. فهي توفر معلومات العمق في الوقت الفعلي، وتتميز بتصميم بسيط نسبيًا، ويمكنها العمل في ظروف إضاءة متنوعة. كما تتميز كاميرات ToF بصغر حجمها، ويمكن دمجها في أجهزة أصغر حجمًا مثل الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية والأجهزة القابلة للارتداء.

تتنوع تطبيقات كاميرات ToF. ففي الواقع المعزز، تستطيع هذه الكاميرات تحديد عمق الأجسام بدقة، مما يُحسّن واقعية الأجسام الافتراضية في العالم الحقيقي. وفي مجال الروبوتات، تُمكّن الروبوتات من إدراك محيطها وتجاوز العوائق بكفاءة أكبر. أما في المسح ثلاثي الأبعاد، فتستطيع كاميرات ToF التقاط هندسة الأجسام أو البيئات بسرعة لأغراض متنوعة، مثل الواقع الافتراضي، والألعاب، والطباعة ثلاثية الأبعاد. كما تُستخدم أيضًا في تطبيقات القياسات الحيوية، مثل التعرف على الوجوه أو إيماءات اليد.

ثالثا 、مكونات كاميرات قياس زمن الرحلة

كاميرات زمن الرحلة (ToF)تتكون من عدة مكونات رئيسية تعمل معًا لتمكين استشعار العمق وقياس المسافة. قد تختلف المكونات المحددة باختلاف التصميم والشركة المصنعة، ولكن فيما يلي العناصر الأساسية الموجودة عادةً في أنظمة كاميرات ToF:

مصدر الضوء:

تستخدم كاميرات ToF مصدر ضوء لإصدار إشارة ضوئية، عادةً ما تكون على شكل ضوء الأشعة تحت الحمراء. قد يكون مصدر الضوء عبارة عن صمام ثنائي باعث للضوء (LED) أو صمام ليزر، وذلك حسب تصميم الكاميرا. ينتقل الضوء المنبعث باتجاه الأجسام في المشهد.

بصريات:

تجمع العدسة الضوء المنعكس وتصور البيئة المحيطة على مستشعر الصورة (مصفوفة المستوى البؤري). أما مرشح تمرير النطاق البصري، فيمرر فقط الضوء الذي له نفس الطول الموجي لوحدة الإضاءة. وهذا يساعد على كبح الضوء غير ذي الصلة وتقليل التشويش.

مستشعر الصورة:

هذا هو جوهر كاميرا TOF. يقيس كل بكسل الوقت الذي استغرقه الضوء للانتقال من وحدة الإضاءة (الليزر أو الصمام الثنائي الباعث للضوء) إلى الجسم والعودة إلى مصفوفة المستوى البؤري.

دوائر التوقيت:

لقياس زمن انتقال الضوء بدقة، تحتاج الكاميرا إلى دائرة توقيت دقيقة. تتحكم هذه الدائرة في انبعاث إشارة الضوء وتكشف الزمن الذي يستغرقه الضوء للوصول إلى الأجسام والعودة إلى الكاميرا. كما تعمل على مزامنة عمليتي الانبعاث والكشف لضمان دقة قياسات المسافة.

تعديل:

بعضكاميرات ToFتستخدم هذه الكاميرات تقنيات التعديل لتحسين دقة وموثوقية قياسات المسافة. حيث تقوم بتعديل إشارة الضوء المنبعثة بنمط أو تردد محدد. يساعد هذا التعديل على تمييز الضوء المنبعث عن مصادر الإضاءة المحيطة الأخرى، ويعزز قدرة الكاميرا على التمييز بين الأجسام المختلفة في المشهد.

خوارزمية حساب العمق:

لتحويل قياسات زمن الرحلة إلى معلومات العمق، تستخدم كاميرات ToF خوارزميات متطورة. تحلل هذه الخوارزميات بيانات التوقيت الواردة من الكاشف الضوئي وتحسب المسافة بين الكاميرا والأجسام في المشهد. غالبًا ما تتضمن خوارزميات حساب العمق تعويض عوامل مثل سرعة انتشار الضوء، وزمن استجابة المستشعر، وتداخل الإضاءة المحيطة.

مخرجات بيانات العمق:

بعد إجراء حساب العمق، تُخرج كاميرا ToF بيانات العمق. يمكن أن يكون هذا الإخراج على شكل خريطة عمق، أو سحابة نقاط، أو تمثيل ثلاثي الأبعاد للمشهد. يمكن للتطبيقات والأنظمة استخدام بيانات العمق لتمكين وظائف متنوعة مثل تتبع الأجسام، والواقع المعزز، أو الملاحة الروبوتية.

من المهم ملاحظة أن تصميم ومكونات كاميرات قياس زمن الطيران (ToF) قد تختلف باختلاف الشركات المصنعة والطرازات. وقد تُسهم التطورات التكنولوجية في إضافة ميزات وتحسينات لرفع مستوى أداء وقدرات أنظمة كاميرات قياس زمن الطيران.

ثالثا: التطبيقات

تطبيقات السيارات

كاميرات قياس زمن الرحلةتُستخدم في وظائف المساعدة والسلامة لتطبيقات السيارات المتقدمة مثل سلامة المشاة النشطة، والكشف عن الاصطدام قبل وقوعه، والتطبيقات الداخلية مثل الكشف عن الخروج عن الموضع (OOP).

تطبيق كاميرات ToF

واجهات التفاعل بين الإنسان والآلة والألعاب

As كاميرات قياس زمن الرحلةبفضل توفير صور للمسافات البعيدة في الوقت الفعلي، يسهل تتبع حركات البشر. وهذا يتيح تفاعلات جديدة مع الأجهزة الاستهلاكية مثل أجهزة التلفاز. ومن المواضيع الأخرى استخدام هذا النوع من الكاميرات للتفاعل مع الألعاب على منصات ألعاب الفيديو. استخدم مستشعر Kinect من الجيل الثاني، الذي كان مُدمجًا في الأصل مع جهاز Xbox One، كاميرا قياس زمن الرحلة لتصوير المسافات، مما أتاح واجهات مستخدم طبيعية وتطبيقات ألعاب تستخدم تقنيات رؤية الحاسوب والتعرف على الإيماءات.

تُقدّم شركتا Creative وIntel أيضاً نوعاً مشابهاً من كاميرات Senz3D التفاعلية التي تعمل بتقنية قياس زمن الرحلة، والمخصصة للألعاب، والمبنية على كاميرا DepthSense 325 من شركة Softkinetic. كما تُتيح شركتا Infineon وPMD Technologies كاميرات ثلاثية الأبعاد صغيرة الحجم مُدمجة للتحكم بالإيماءات عن قرب في الأجهزة الاستهلاكية مثل أجهزة الكمبيوتر المكتبية والمحمولة (كاميرات Picco flexx وPicco monstar).

تطبيق كاميرات ToF في الألعاب

كاميرات الهواتف الذكية

تتضمن العديد من الهواتف الذكية كاميرات بتقنية قياس زمن الرحلة. تُستخدم هذه الكاميرات بشكل أساسي لتحسين جودة الصور من خلال تزويد برنامج الكاميرا بمعلومات حول العناصر الأمامية والخلفية. وكان هاتف LG G3 أول هاتف محمول يستخدم هذه التقنية، وقد طُرح في أوائل عام 2014.

تطبيق كاميرات ToF في الهواتف المحمولة

القياس والرؤية الآلية

تشمل التطبيقات الأخرى مهام القياس، مثل قياس ارتفاع التعبئة في الصوامع. وفي مجال الرؤية الآلية الصناعية، تساعد كاميرا زمن الرحلة في تصنيف وتحديد مواقع الأشياء لاستخدامها من قبل الروبوتات، مثل العناصر التي تمر على سير ناقل. كما يمكن لأجهزة التحكم في الأبواب التمييز بسهولة بين الحيوانات والبشر الذين يصلون إلى الباب.

الروبوتات

يُستخدم هذا النوع من الكاميرات أيضًا في مجال الروبوتات: إذ تستطيع الروبوتات المتنقلة رسم خريطة لمحيطها بسرعة فائقة، مما يمكّنها من تجنب العوائق أو تتبع شخص يقودها. ونظرًا لسهولة حساب المسافة، لا يتطلب الأمر سوى القليل من القدرة الحاسوبية. ولأن هذه الكاميرات تُستخدم أيضًا لقياس المسافة، فقد عُرف عن فرق مسابقة FIRST للروبوتات استخدامها لهذه الأجهزة في مهامها المستقلة.

تضاريس الأرض

كاميرات ToFوقد تم استخدامها للحصول على نماذج الارتفاع الرقمية لتضاريس سطح الأرض، وذلك لإجراء دراسات في علم شكل الأرض.

تطبيق كاميرات ToF في علم شكل الأرض