Co jsou kamery zaznamenávající dobu letu?

Kamery s měřením doby letu (ToF) jsou typem technologie hloubkového snímání, která měří vzdálenost mezi kamerou a objekty ve scéně pomocí doby, kterou světlo potřebuje k cestě k objektům a zpět do kamery. Běžně se používají v různých aplikacích, jako je rozšířená realita, robotika, 3D skenování, rozpoznávání gest a další.

ToF kameryfungují tak, že vyzařují světelný signál, obvykle infračervené světlo, a měří čas, který signál potřebuje k odrazu zpět po dopadu na objekty ve scéně. Toto měření času se poté použije k výpočtu vzdálenosti k objektům, čímž se vytvoří mapa hloubky nebo 3D reprezentace scény.

Kamery zachycující dobu letu

Ve srovnání s jinými technologiemi hloubkového snímání, jako je strukturované světlo nebo stereo vidění, nabízejí ToF kamery několik výhod. Poskytují informace o hloubce v reálném čase, mají relativně jednoduchý design a mohou fungovat v různých světelných podmínkách. ToF kamery jsou také kompaktní a lze je integrovat do menších zařízení, jako jsou chytré telefony, tablety a nositelná elektronika.

Aplikace ToF kamer jsou rozmanité. V rozšířené realitě dokáží ToF kamery přesně detekovat hloubku objektů a zlepšit realismus virtuálních objektů umístěných v reálném světě. V robotice umožňují robotům vnímat své okolí a efektivněji se pohybovat v překážkách. Ve 3D skenování dokáží ToF kamery rychle zachytit geometrii objektů nebo prostředí pro různé účely, jako je virtuální realita, hraní her nebo 3D tisk. Používají se také v biometrických aplikacích, jako je rozpoznávání obličeje nebo gest rukou.

二,Součásti kamer pro měření doby letu (TFR)

Kamery s měřením doby letu (ToF)skládají se z několika klíčových komponent, které spolupracují a umožňují snímání hloubky a měření vzdálenosti. Konkrétní komponenty se mohou lišit v závislosti na konstrukci a výrobci, ale zde jsou základní prvky, které se obvykle nacházejí v systémech ToF kamer:

Zdroj světla:

ToF kamery používají světelný zdroj k vyzařování světelného signálu, obvykle ve formě infračerveného (IR) světla. Zdrojem světla může být LED (Light-Emitting Diode) nebo laserová dioda, v závislosti na konstrukci kamery. Vyzařované světlo putuje směrem k objektům ve scéně.

Optika:

Čočka shromažďuje odražené světlo a zobrazuje okolí na obrazovém snímači (ohniskovém poli). Optický pásmový filtr propouští pouze světlo se stejnou vlnovou délkou jako osvětlovací jednotka. To pomáhá potlačit nežádoucí světlo a snížit šum.

Obrazový snímač:

Toto je srdce TOF kamery. Každý pixel měří čas, který světlo potřebuje k cestě od osvětlovací jednotky (laseru nebo LED) k objektu a zpět do ohniskové roviny.

Časovací obvody:

Pro přesné měření doby letu světla potřebuje kamera přesné časovací obvody. Tyto obvody řídí vyzařování světelného signálu a detekují čas, který světlo potřebuje k dosažení objektů a zpět do kamery. Synchronizuje procesy vyzařování a detekce, aby bylo zajištěno přesné měření vzdálenosti.

Modulace:

NějakýToF kameryzahrnují modulační techniky pro zlepšení přesnosti a robustnosti měření vzdálenosti. Tyto kamery modulují vyzařovaný světelný signál specifickým vzorem nebo frekvencí. Modulace pomáhá odlišit vyzařované světlo od ostatních zdrojů okolního světla a zlepšuje schopnost kamery rozlišovat mezi různými objekty ve scéně.

Algoritmus pro výpočet hloubky:

Pro převod měření doby letu záření na informace o hloubce využívají ToF kamery sofistikované algoritmy. Tyto algoritmy analyzují časovací data přijatá z fotodetektoru a vypočítávají vzdálenost mezi kamerou a objekty ve scéně. Algoritmy pro výpočet hloubky často zahrnují kompenzaci faktorů, jako je rychlost šíření světla, doba odezvy senzoru a rušení okolním světlem.

Výstup hloubkových dat:

Jakmile je proveden výpočet hloubky, kamera ToF poskytne výstupní data o hloubce. Tento výstup může mít podobu mapy hloubky, mračna bodů nebo 3D reprezentace scény. Data o hloubce mohou být použita aplikacemi a systémy k aktivaci různých funkcí, jako je sledování objektů, rozšířená realita nebo robotická navigace.

Je důležité si uvědomit, že konkrétní implementace a komponenty ToF kamer se mohou u různých výrobců a modelů lišit. Pokrok v technologiích může přinést další funkce a vylepšení pro zlepšení výkonu a schopností systémů ToF kamer.

三、Aplikace

Automobilové aplikace

Kamery zaznamenávající dobu letuse používají v asistenčních a bezpečnostních funkcích pro pokročilé automobilové aplikace, jako je aktivní bezpečnost chodců, detekce před nárazem a vnitřní aplikace, jako je detekce mimo svou polohu (OOP).

Aplikace ToF kamer

Rozhraní člověk-stroj a hraní her

As kamery zaznamenávající dobu letuposkytují snímky vzdálenosti v reálném čase, je snadné sledovat pohyby lidí. To umožňuje nové interakce se spotřebními zařízeními, jako jsou televizory. Dalším tématem je použití tohoto typu kamer k interakci s hrami na herních konzolích. Senzor Kinect druhé generace, původně dodávaný s konzolí Xbox One, používal pro snímání vzdálenosti kameru s měřením doby letu, což umožňovalo přirozená uživatelská rozhraní a herní aplikace využívající počítačové vidění a techniky rozpoznávání gest.

Společnosti Creative a Intel také nabízejí podobný typ interaktivní kamery s detekcí doby letu gest pro hraní her, Senz3D, založenou na kameře DepthSense 325 od společnosti Softkinetic. Společnosti Infineon a PMD Technologies umožňují použití malých integrovaných 3D hloubkových kamer pro ovládání gesty zblízka u spotřebitelských zařízení, jako jsou all-in-one počítače a notebooky (kamery Picco flexx a Picco monstar).

Využití ToF kamer ve hrách

Fotoaparáty chytrých telefonů

Několik chytrých telefonů obsahuje kamery s technologií Time-of-Flight. Ty se používají hlavně ke zlepšení kvality fotografií tím, že softwaru fotoaparátu poskytují informace o popředí a pozadí. Prvním mobilním telefonem, který tuto technologii využíval, byl LG G3, uvedený na trh začátkem roku 2014.

Aplikace ToF kamer v mobilních telefonech

Měření a strojové vidění

Dalšími aplikacemi jsou měřicí úlohy, např. pro výšku naplnění v silech. V průmyslovém strojovém vidění pomáhá kamera s měřením doby letu klasifikovat a lokalizovat objekty pro použití roboty, jako jsou například předměty procházející po dopravníku. Ovládací prvky dveří dokáží snadno rozlišit mezi zvířaty a lidmi, kteří se k nim přibližují.

Robotika

Dalším využitím těchto kamer je oblast robotiky: Mobilní roboti dokáží velmi rychle vytvořit mapu svého okolí, což jim umožňuje vyhýbat se překážkám nebo sledovat osobu, která je vede. Protože je výpočet vzdálenosti jednoduchý, spotřebovává se jen málo výpočetního výkonu. Vzhledem k tomu, že tyto kamery lze použít i k měření vzdálenosti, je známo, že týmy pro soutěž FIRST Robotics Competition používají tato zařízení pro autonomní rutiny.

Topografie Země

ToF kamerybyly použity k získání digitálních modelů reliéfu zemského povrchu pro geomorfologické studie.

Aplikace ToF kamer v geomorfologii