一、Was sind Flugzeitkameras?

Time-of-Flight-Kameras (ToF) sind eine Art Tiefenerkennungstechnologie, die den Abstand zwischen der Kamera und Objekten in der Szene misst, indem sie die Zeit nutzt, die das Licht benötigt, um zu den Objekten und zurück zur Kamera zu gelangen. Sie werden häufig in verschiedenen Anwendungen wie Augmented Reality, Robotik, 3D-Scanning, Gestenerkennung und mehr eingesetzt.

ToF-KamerasFunktionieren Sie, indem Sie ein Lichtsignal, typischerweise Infrarotlicht, aussenden und die Zeit messen, die das Signal benötigt, um wieder zurückzukommen, nachdem es auf Objekte in der Szene getroffen wurde. Aus dieser Zeitmessung wird dann die Entfernung zu den Objekten berechnet und so eine Tiefenkarte oder eine 3D-Darstellung der Szene erstellt.

Die Time-of-Flight-Kameras

Im Vergleich zu anderen Tiefenerkennungstechnologien wie strukturiertem Licht oder Stereovision bieten ToF-Kameras mehrere Vorteile. Sie liefern Tiefeninformationen in Echtzeit, haben ein relativ einfaches Design und können bei verschiedenen Lichtverhältnissen eingesetzt werden. ToF-Kameras sind außerdem kompakt und können in kleinere Geräte wie Smartphones, Tablets und tragbare Geräte integriert werden.

Die Einsatzmöglichkeiten von ToF-Kameras sind vielfältig. In der erweiterten Realität können ToF-Kameras die Tiefe von Objekten genau erkennen und den Realismus virtueller Objekte in der realen Welt verbessern. In der Robotik ermöglichen sie es Robotern, ihre Umgebung wahrzunehmen und Hindernisse effektiver zu überwinden. Beim 3D-Scannen können ToF-Kameras schnell die Geometrie von Objekten oder Umgebungen für verschiedene Zwecke wie virtuelle Realität, Spiele oder 3D-Druck erfassen. Sie werden auch in biometrischen Anwendungen wie der Gesichtserkennung oder Handgestenerkennung eingesetzt.

二、Komponenten von Flugzeitkameras

Time-of-Flight (ToF)-Kamerasbestehen aus mehreren Schlüsselkomponenten, die zusammenarbeiten, um Tiefenerkennung und Entfernungsmessung zu ermöglichen. Die spezifischen Komponenten können je nach Design und Hersteller variieren, aber hier sind die grundlegenden Elemente, die typischerweise in ToF-Kamerasystemen zu finden sind:

Lichtquelle:

ToF-Kameras verwenden eine Lichtquelle, um ein Lichtsignal auszusenden, normalerweise in Form von Infrarotlicht (IR). Die Lichtquelle kann je nach Bauart der Kamera eine LED (Light-Emitting Diode) oder eine Laserdiode sein. Das emittierte Licht wandert zu den Objekten in der Szene.

Optik:

Eine Linse sammelt das reflektierte Licht und bildet die Umgebung auf dem Bildsensor (Focal-Plane-Array) ab. Ein optischer Bandpassfilter lässt nur Licht mit der gleichen Wellenlänge wie die Beleuchtungseinheit durch. Dies trägt dazu bei, unerwünschtes Licht zu unterdrücken und Rauschen zu reduzieren.

Bildsensor:

Dies ist das Herzstück der TOF-Kamera. Jedes Pixel misst die Zeit, die das Licht benötigt, um von der Beleuchtungseinheit (Laser oder LED) zum Objekt und zurück zum Fokalebenen-Array zu gelangen.

Timing-Schaltung:

Um die Flugzeit genau zu messen, benötigt die Kamera eine präzise Timing-Schaltung. Diese Schaltung steuert die Emission des Lichtsignals und erkennt die Zeit, die das Licht benötigt, um zu den Objekten zu gelangen und zur Kamera zurückzukehren. Es synchronisiert die Emissions- und Erkennungsprozesse, um genaue Entfernungsmessungen zu gewährleisten.

Modulation:

MancheToF-KamerasIntegrieren Sie Modulationstechniken, um die Genauigkeit und Robustheit von Entfernungsmessungen zu verbessern. Diese Kameras modulieren das ausgesendete Lichtsignal mit einem bestimmten Muster oder einer bestimmten Frequenz. Die Modulation hilft dabei, das emittierte Licht von anderen Umgebungslichtquellen zu unterscheiden und verbessert die Fähigkeit der Kamera, zwischen verschiedenen Objekten in der Szene zu unterscheiden.

Algorithmus zur Tiefenberechnung:

Um die Flugzeitmessungen in Tiefeninformationen umzuwandeln, nutzen ToF-Kameras ausgefeilte Algorithmen. Diese Algorithmen analysieren die vom Fotodetektor empfangenen Zeitdaten und berechnen den Abstand zwischen der Kamera und den Objekten in der Szene. Die Tiefenberechnungsalgorithmen umfassen häufig die Kompensation von Faktoren wie Lichtausbreitungsgeschwindigkeit, Sensorreaktionszeit und Umgebungslichtinterferenzen.

Ausgabe der Tiefendaten:

Sobald die Tiefenberechnung durchgeführt ist, liefert die ToF-Kamera eine Tiefendatenausgabe. Diese Ausgabe kann in Form einer Tiefenkarte, einer Punktwolke oder einer 3D-Darstellung der Szene erfolgen. Die Tiefendaten können von Anwendungen und Systemen genutzt werden, um verschiedene Funktionalitäten wie Objektverfolgung, Augmented Reality oder Roboternavigation zu ermöglichen.

Es ist wichtig zu beachten, dass die spezifische Implementierung und die Komponenten von ToF-Kameras je nach Hersteller und Modell unterschiedlich sein können. Durch technologische Fortschritte können zusätzliche Funktionen und Verbesserungen eingeführt werden, um die Leistung und Fähigkeiten von ToF-Kamerasystemen zu verbessern.

三、Anwendungen

Automotive-Anwendungen

Time-of-Flight-Kameraswerden in Assistenz- und Sicherheitsfunktionen für fortschrittliche Automobilanwendungen wie aktive Fußgängersicherheit, Precrash-Erkennung und Indoor-Anwendungen wie Out-of-Position (OOP)-Erkennung eingesetzt.

Die Anwendung von ToF-Kameras

Mensch-Maschine-Schnittstellen und Gaming

As Time-of-Flight-KamerasDurch die Bereitstellung von Entfernungsbildern in Echtzeit ist es einfach, Bewegungen von Menschen zu verfolgen. Dies ermöglicht neue Interaktionen mit Verbrauchergeräten wie Fernsehern. Ein weiteres Thema ist die Verwendung dieser Art von Kameras zur Interaktion mit Spielen auf Videospielkonsolen. Der Kinect-Sensor der zweiten Generation, der ursprünglich in der Xbox One-Konsole enthalten war, nutzte eine Time-of-Flight-Kamera für die Entfernungsdarstellung und ermöglichte natürliche Benutzeroberflächen und Spiele Anwendungen, die Computer Vision und Gestenerkennungstechniken nutzen.

Creative und Intel bieten auch eine ähnliche Art interaktiver Gesten-Time-of-Flight-Kamera für Spiele an, die Senz3D, die auf der DepthSense 325-Kamera von Softkinetic basiert. Infineon und PMD Technologies ermöglichen winzige integrierte 3D-Tiefenkameras für die Gestensteuerung von Verbrauchergeräten wie All-in-One-PCs und Laptops (Picco Flexx- und Picco Monstar-Kameras) aus nächster Nähe.

Der Einsatz von ToF-Kameras in Spielen

Smartphone-Kameras

Mehrere Smartphones verfügen über Time-of-Flight-Kameras. Diese dienen vor allem dazu, die Qualität von Fotos zu verbessern, indem sie der Kamerasoftware Informationen über Vorder- und Hintergrund liefern. Das erste Mobiltelefon, das diese Technologie nutzte, war das LG G3, das Anfang 2014 auf den Markt kam.

Die Anwendung von ToF-Kameras in Mobiltelefonen

Messtechnik und Bildverarbeitung

Weitere Anwendungen sind Messaufgaben, beispielsweise für die Füllhöhe in Silos. In der industriellen Bildverarbeitung hilft die Time-of-Flight-Kamera dabei, Objekte für die Verwendung durch Roboter zu klassifizieren und zu lokalisieren, beispielsweise auf einem Förderband vorbeilaufende Gegenstände. Türsteuerungen können problemlos unterscheiden, ob Tiere oder Menschen die Tür erreichen.

Robotik

Ein weiterer Einsatzbereich dieser Kameras liegt im Bereich der Robotik: Mobile Roboter können sehr schnell eine Karte ihrer Umgebung erstellen und so Hindernissen ausweichen oder einer führenden Person folgen. Da die Entfernungsberechnung einfach ist, wird nur wenig Rechenleistung beansprucht. Da diese Kameras auch zur Entfernungsmessung eingesetzt werden können, nutzen Teams des FIRST Robotics Competition die Geräte bekanntermaßen für autonome Routinen.

Topographie der Erde

ToF-Kameraswurden verwendet, um digitale Höhenmodelle der Erdoberflächentopographie für Studien in der Geomorphologie zu erhalten.

Die Anwendung von ToF-Kameras in der Geomorphologie