Quin és el temps de vol de les càmeres?

Les càmeres de temps de vol (ToF) són un tipus de tecnologia de detecció de profunditat que mesura la distància entre la càmera i els objectes de l'escena utilitzant el temps que triga la llum a viatjar fins als objectes i tornar a la càmera. S'utilitzen habitualment en diverses aplicacions com ara la realitat augmentada, la robòtica, l'escaneig 3D, el reconeixement de gestos i més.

Càmeres ToFfuncionen emetent un senyal lluminós, normalment llum infraroja, i mesurant el temps que triga el senyal a rebotar després de xocar amb objectes de l'escena. Aquesta mesura de temps s'utilitza per calcular la distància als objectes, creant un mapa de profunditat o una representació 3D de l'escena.

Les càmeres de temps de vol

En comparació amb altres tecnologies de detecció de profunditat com la llum estructurada o la visió estèreo, les càmeres ToF ofereixen diversos avantatges. Proporcionen informació de profunditat en temps real, tenen un disseny relativament senzill i poden funcionar en diverses condicions d'il·luminació. Les càmeres ToF també són compactes i es poden integrar en dispositius més petits com ara telèfons intel·ligents, tauletes i dispositius portàtils.

Les aplicacions de les càmeres ToF són diverses. En realitat augmentada, les càmeres ToF poden detectar amb precisió la profunditat dels objectes i millorar el realisme dels objectes virtuals situats al món real. En robòtica, permeten als robots percebre el seu entorn i navegar pels obstacles de manera més eficaç. En l'escaneig 3D, les càmeres ToF poden capturar ràpidament la geometria d'objectes o entorns per a diversos propòsits com la realitat virtual, els jocs o la impressió 3D. També s'utilitzen en aplicacions biomètriques, com ara el reconeixement facial o el reconeixement de gestos amb les mans.

二、Components de les càmeres de temps de vol

Càmeres de temps de vol (ToF)consten de diversos components clau que treballen conjuntament per permetre la detecció de profunditat i el mesurament de distància. Els components específics poden variar segons el disseny i el fabricant, però aquests són els elements fonamentals que normalment es troben en els sistemes de càmeres ToF:

Font de llum:

Les càmeres ToF utilitzen una font de llum per emetre un senyal lluminós, generalment en forma de llum infraroja (IR). La font de llum pot ser un LED (díode emissor de llum) o un díode làser, depenent del disseny de la càmera. La llum emesa viatja cap als objectes de l'escena.

Òptica:

Una lent recull la llum reflectida i representa l'entorn al sensor d'imatge (matriu del pla focal). Un filtre de passa-banda òptic només deixa passar la llum amb la mateixa longitud d'ona que la unitat d'il·luminació. Això ajuda a suprimir la llum no pertinent i a reduir el soroll.

Sensor d'imatge:

Aquest és el cor de la càmera TOF. Cada píxel mesura el temps que la llum ha trigat a viatjar des de la unitat d'il·luminació (làser o LED) fins a l'objecte i de tornada a la matriu del pla focal.

Circuit de sincronització:

Per mesurar el temps de vol amb precisió, la càmera necessita un circuit de sincronització precís. Aquest circuit controla l'emissió del senyal lluminós i detecta el temps que triga la llum a viatjar fins als objectes i tornar a la càmera. Sincronitza els processos d'emissió i detecció per garantir mesures de distància precises.

Modulació:

AlgunsCàmeres ToFIncorporen tècniques de modulació per millorar la precisió i la robustesa de les mesures de distància. Aquestes càmeres modulen el senyal de llum emès amb un patró o freqüència específics. La modulació ajuda a distingir la llum emesa d'altres fonts de llum ambiental i millora la capacitat de la càmera per diferenciar entre diferents objectes de l'escena.

Algoritme de càlcul de profunditat:

Per convertir les mesures de temps de vol en informació de profunditat, les càmeres ToF utilitzen algoritmes sofisticats. Aquests algoritmes analitzen les dades de temps rebudes del fotodetector i calculen la distància entre la càmera i els objectes de l'escena. Els algoritmes de càlcul de profunditat sovint impliquen compensar factors com la velocitat de propagació de la llum, el temps de resposta del sensor i la interferència de la llum ambiental.

Sortida de dades de profunditat:

Un cop realitzat el càlcul de la profunditat, la càmera ToF proporciona dades de profunditat. Aquestes dades poden prendre la forma d'un mapa de profunditat, un núvol de punts o una representació 3D de l'escena. Les dades de profunditat poden ser utilitzades per aplicacions i sistemes per habilitar diverses funcionalitats com el seguiment d'objectes, la realitat augmentada o la navegació robòtica.

És important tenir en compte que la implementació específica i els components de les càmeres ToF poden variar segons els diferents fabricants i models. Els avenços tecnològics poden introduir funcions i millores addicionals per millorar el rendiment i les capacitats dels sistemes de càmeres ToF.

三、Aplicacions

Aplicacions d'automoció

Càmeres de temps de vols'utilitzen en funcions d'assistència i seguretat per a aplicacions avançades d'automoció com ara la seguretat activa de vianants, la detecció de precol·lisions i aplicacions en interiors com la detecció de fora de posició (OOP).

L'aplicació de les càmeres ToF

Interfícies home-màquina i jocs

As càmeres de temps de volproporcionar imatges de distància en temps real, és fàcil rastrejar els moviments dels humans. Això permet noves interaccions amb dispositius de consum com ara televisors. Un altre tema és utilitzar aquest tipus de càmeres per interactuar amb jocs a les consoles de videojocs. El sensor Kinect de segona generació inclòs originalment amb la consola Xbox One utilitzava una càmera de temps de vol per a les seves imatges de distància, permetent interfícies d'usuari naturals i aplicacions de joc mitjançant tècniques de visió per computador i reconeixement de gestos.

Creative i Intel també ofereixen un tipus similar de càmera interactiva de temps de vol amb gestos per a jocs, la Senz3D basada en la càmera DepthSense 325 de Softkinetic. Infineon i PMD Technologies permeten petites càmeres de profunditat 3D integrades per al control de gestos a curta distància de dispositius de consum com ara PC i portàtils tot en un (càmeres Picco flexx i Picco monstar).

L'aplicació de càmeres ToF en jocs

Càmeres per a telèfons intel·ligents

Diversos telèfons intel·ligents inclouen càmeres amb sensor de temps de vol. Aquestes s'utilitzen principalment per millorar la qualitat de les fotos proporcionant al programari de la càmera informació sobre el primer pla i el fons. El primer telèfon mòbil que va emprar aquesta tecnologia va ser l'LG G3, llançat a principis del 2014.

L'aplicació de càmeres ToF en telèfons mòbils

Mesurament i visió artificial

Altres aplicacions són tasques de mesura, per exemple, per a l'alçada d'ompliment en sitges. En la visió artificial industrial, la càmera de temps de vol ajuda a classificar i localitzar objectes per al seu ús per part de robots, com ara articles que passen per una cinta transportadora. Els controls de les portes poden distingir fàcilment entre animals i humans que arriben a la porta.

Robòtica

Un altre ús d'aquestes càmeres és el camp de la robòtica: els robots mòbils poden crear un mapa del seu entorn molt ràpidament, cosa que els permet evitar obstacles o seguir una persona que els precedeix. Com que el càlcul de la distància és senzill, només s'utilitza poca potència computacional. Com que aquestes càmeres també es poden utilitzar per mesurar la distància, se sap que els equips de la FIRST Robotics Competition utilitzen els dispositius per a rutines autònomes.

Topografia terrestre

Càmeres ToFs'han utilitzat per obtenir models digitals d'elevació de la topografia de la superfície terrestre per a estudis de geomorfologia.

L'aplicació de les càmeres ToF en geomorfologia