一、Какво представляват камерите за време на полет?

Камерите за време на полет (ToF) са вид технология за отчитане на дълбочина, която измерва разстоянието между камерата и обектите в сцената, като използва времето, необходимо на светлината да пътува до обектите и обратно до камерата. Те обикновено се използват в различни приложения като добавена реалност, роботика, 3D сканиране, разпознаване на жестове и др.

ToF камериработят чрез излъчване на светлинен сигнал, обикновено инфрачервена светлина, и измерване на времето, необходимо на сигнала да отскочи след удара на обекти в сцената. След това това измерване на времето се използва за изчисляване на разстоянието до обектите, създавайки карта на дълбочината или 3D представяне на сцената.

Камерите за време на полет

В сравнение с други технологии за отчитане на дълбочина, като структурирана светлина или стерео зрение, ToF камерите предлагат няколко предимства. Те предоставят информация за дълбочината в реално време, имат относително прост дизайн и могат да работят при различни условия на осветление. Камерите ToF също са компактни и могат да бъдат интегрирани в по-малки устройства като смартфони, таблети и носими устройства.

Приложенията на ToF камерите са разнообразни. В добавената реалност ToF камерите могат точно да открият дълбочината на обектите и да подобрят реализма на виртуалните обекти, поставени в реалния свят. В роботиката те позволяват на роботите да възприемат заобикалящата ги среда и да навигират по-ефективно през препятствията. При 3D сканиране, ToF камерите могат бързо да заснемат геометрията на обекти или среда за различни цели като виртуална реалност, игри или 3D печат. Те се използват и в биометрични приложения, като лицево разпознаване или разпознаване на жестове с ръце.

二、Компоненти на камери за време на полет

Камери за време на полет (ToF).се състои от няколко ключови компонента, които работят заедно, за да позволят отчитане на дълбочина и измерване на разстояние. Специфичните компоненти може да варират в зависимост от дизайна и производителя, но ето основните елементи, които обикновено се намират в системите на камери ToF:

Източник на светлина:

Камерите ToF използват източник на светлина, за да излъчват светлинен сигнал, обикновено под формата на инфрачервена (IR) светлина. Източникът на светлина може да бъде LED (Light-Emitting Diode) или лазерен диод, в зависимост от дизайна на камерата. Излъчената светлина се движи към обектите в сцената.

Оптика:

Леща събира отразената светлина и изобразява околната среда върху сензора за изображения (решетка с фокална равнина). Оптичният лентов филтър пропуска само светлината със същата дължина на вълната като осветителното устройство. Това помага за потискане на неуместната светлина и намаляване на шума.

Сензор за изображение:

Това е сърцето на TOF камерата. Всеки пиксел измерва времето, необходимо на светлината, за да премине от осветителния модул (лазер или светодиод) до обекта и обратно до решетка с фокална равнина.

Синхронизираща верига:

За да измерва точно времето на полета, камерата се нуждае от прецизна синхронизираща схема. Тази схема контролира излъчването на светлинния сигнал и отчита времето, необходимо на светлината да достигне до обектите и да се върне към камерата. Той синхронизира процесите на излъчване и откриване, за да осигури точни измервания на разстоянието.

Модулация:

някоиToF камеривключват модулационни техники за подобряване на точността и надеждността на измерванията на разстоянието. Тези камери модулират излъчвания светлинен сигнал със специфичен модел или честота. Модулацията помага за разграничаване на излъчваната светлина от други източници на околна светлина и подобрява способността на камерата да прави разлика между различните обекти в сцената.

Алгоритъм за изчисляване на дълбочината:

За да преобразуват измерванията на времето на полета в информация за дълбочината, ToF камерите използват сложни алгоритми. Тези алгоритми анализират данните за времето, получени от фотодетектора, и изчисляват разстоянието между камерата и обектите в сцената. Алгоритмите за изчисляване на дълбочината често включват компенсиране на фактори като скорост на разпространение на светлината, време за реакция на сензора и смущения от околната светлина.

Изходни данни за дълбочината:

След като се извърши изчислението на дълбочината, ToF камерата предоставя изходни данни за дълбочината. Този резултат може да бъде под формата на карта на дълбочината, облак от точки или 3D представяне на сцената. Данните за дълбочината могат да се използват от приложения и системи за активиране на различни функционалности като проследяване на обекти, добавена реалност или роботизирана навигация.

Важно е да се отбележи, че конкретното изпълнение и компонентите на ToF камерите могат да варират при различните производители и модели. Напредъкът в технологиите може да въведе допълнителни функции и подобрения за подобряване на производителността и възможностите на системите ToF камери.

三、Приложения

Автомобилни приложения

Камери за време на полетасе използват във функциите за помощ и безопасност за усъвършенствани автомобилни приложения като активна безопасност на пешеходците, откриване преди катастрофа и приложения на закрито като откриване извън позиция (OOP).

Приложението на ToF камери

Интерфейси човек-машина и игри

As камери за време на полетпредоставя изображения от разстояние в реално време, лесно е да се проследяват движенията на хората. Това позволява нови взаимодействия с потребителски устройства като телевизори. Друга тема е използването на този тип камери за взаимодействие с игри на конзоли за видеоигри. Сензорът Kinect от второ поколение, първоначално включен в конзолата Xbox One, използва камера за време на полет за своите изображения на обхвата, позволявайки естествени потребителски интерфейси и игри приложения, използващи компютърно зрение и техники за разпознаване на жестове.

Creative и Intel също предоставят подобен тип интерактивна камера за време на полет с жестове за игри, Senz3D, базирана на камерата DepthSense 325 на Softkinetic. Infineon и PMD Technologies позволяват малки интегрирани 3D камери за дълбочина за управление с жестове от близко разстояние на потребителски устройства като компютри и лаптопи „всичко в едно“ (камери Picco flexx и Picco monstar).

Приложението на ToF камерите в игрите

Камери за смартфони

Няколко смартфона включват камери за време на полет. Те се използват главно за подобряване на качеството на снимките, като предоставят на софтуера на камерата информация за преден и заден план. Първият мобилен телефон, който използва такава технология, беше LG G3, пуснат в началото на 2014 г.

Приложението на ToF камери в мобилни телефони

Измерване и машинно зрение

Други приложения са задачи за измерване, например за височина на пълнене в силози. В промишленото машинно зрение камерата за време на полет помага да се класифицират и локализират обекти за използване от роботи, като артикули, преминаващи покрай конвейер. Органите за управление на вратата могат лесно да разграничат животните и хората, достигащи вратата.

роботика

Друга употреба на тези камери е областта на роботиката: мобилните роботи могат да изградят карта на заобикалящата ги среда много бързо, което им позволява да избягват препятствия или да следват водещ човек. Тъй като изчисляването на разстоянието е просто, използва се малко изчислителна мощност. Тъй като тези камери могат да се използват и за измерване на разстояние, е известно, че екипите за FIRST Robotics Competition използват устройствата за автономни процедури.

Земна топография

ToF камериса били използвани за получаване на цифрови модели на релевантността на топографията на земната повърхност за изследвания в геоморфологията.

Приложението на ToF камерите в геоморфологията