一、Τι είναι η ώρα των καμερών πτήσης;

Οι κάμερες Time-of-flight (ToF) είναι ένας τύπος τεχνολογίας ανίχνευσης βάθους που μετρά την απόσταση μεταξύ της κάμερας και των αντικειμένων στη σκηνή χρησιμοποιώντας το χρόνο που χρειάζεται για να ταξιδέψει το φως στα αντικείμενα και να επιστρέψει στην κάμερα. Χρησιμοποιούνται συνήθως σε διάφορες εφαρμογές όπως η επαυξημένη πραγματικότητα, η ρομποτική, η τρισδιάστατη σάρωση, η αναγνώριση χειρονομιών και άλλα.

Κάμερες ToFεργάζονται εκπέμποντας ένα φωτεινό σήμα, συνήθως υπέρυθρο φως, και μετρώντας το χρόνο που χρειάζεται για να αναπηδήσει το σήμα μετά το χτύπημα αντικειμένων στη σκηνή. Αυτή η μέτρηση χρόνου χρησιμοποιείται στη συνέχεια για τον υπολογισμό της απόστασης από τα αντικείμενα, δημιουργώντας έναν χάρτη βάθους ή μια τρισδιάστατη αναπαράσταση της σκηνής.

Η ώρα των καμερών πτήσης

Σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες ανίχνευσης βάθους, όπως το δομημένο φως ή η στερεοφωνική όραση, οι κάμερες ToF προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα. Παρέχουν πληροφορίες βάθους σε πραγματικό χρόνο, έχουν σχετικά απλό σχεδιασμό και μπορούν να λειτουργήσουν σε διάφορες συνθήκες φωτισμού. Οι κάμερες ToF είναι επίσης συμπαγείς και μπορούν να ενσωματωθούν σε μικρότερες συσκευές όπως smartphone, tablet και φορητές συσκευές.

Οι εφαρμογές των καμερών ToF είναι ποικίλες. Στην επαυξημένη πραγματικότητα, οι κάμερες ToF μπορούν να ανιχνεύσουν με ακρίβεια το βάθος των αντικειμένων και να βελτιώσουν τον ρεαλισμό των εικονικών αντικειμένων που τοποθετούνται στον πραγματικό κόσμο. Στη ρομποτική, επιτρέπουν στα ρομπότ να αντιλαμβάνονται το περιβάλλον τους και να πλοηγούνται πιο αποτελεσματικά στα εμπόδια. Στη σάρωση 3D, οι κάμερες ToF μπορούν να καταγράψουν γρήγορα τη γεωμετρία αντικειμένων ή περιβαλλόντων για διάφορους σκοπούς, όπως εικονική πραγματικότητα, παιχνίδια ή τρισδιάστατη εκτύπωση. Χρησιμοποιούνται επίσης σε βιομετρικές εφαρμογές, όπως η αναγνώριση προσώπου ή η αναγνώριση χειρονομιών.

二Συστατικά του χρόνου των καμερών πτήσης

Κάμερες χρόνου πτήσης (ToF).αποτελείται από πολλά βασικά στοιχεία που συνεργάζονται για να επιτρέπουν την ανίχνευση βάθους και τη μέτρηση απόστασης. Τα συγκεκριμένα εξαρτήματα μπορεί να διαφέρουν ανάλογα με τη σχεδίαση και τον κατασκευαστή, αλλά εδώ είναι τα βασικά στοιχεία που βρίσκονται συνήθως στα συστήματα κάμερας ToF:

Πηγή φωτός:

Οι κάμερες ToF χρησιμοποιούν μια πηγή φωτός για να εκπέμπουν ένα φωτεινό σήμα, συνήθως με τη μορφή υπέρυθρου (IR) φωτός. Η πηγή φωτός μπορεί να είναι LED (Light-Emitting Diode) ή δίοδος λέιζερ, ανάλογα με το σχεδιασμό της κάμερας. Το εκπεμπόμενο φως ταξιδεύει προς τα αντικείμενα στη σκηνή.

Οπτική:

Ένας φακός συγκεντρώνει το ανακλώμενο φως και απεικονίζει το περιβάλλον στον αισθητήρα εικόνας (συστοιχία εστιακού επιπέδου). Ένα οπτικό φίλτρο ζώνης διέρχεται μόνο το φως με το ίδιο μήκος κύματος με τη μονάδα φωτισμού. Αυτό βοηθά στην καταστολή του μη σχετικού φωτός και στη μείωση του θορύβου.

Αισθητήρας εικόνας:

Αυτή είναι η καρδιά της κάμερας TOF. Κάθε εικονοστοιχείο μετρά τον χρόνο που χρειάστηκε το φως για να ταξιδέψει από τη μονάδα φωτισμού (λέιζερ ή LED) στο αντικείμενο και πίσω στη διάταξη εστιακού επιπέδου.

Κύκλωμα χρονισμού:

Για να μετρήσει με ακρίβεια τον χρόνο πτήσης, η κάμερα χρειάζεται ακριβές κύκλωμα χρονισμού. Αυτό το κύκλωμα ελέγχει την εκπομπή του φωτεινού σήματος και ανιχνεύει το χρόνο που χρειάζεται για να ταξιδέψει το φως στα αντικείμενα και να επιστρέψει στην κάμερα. Συγχρονίζει τις διαδικασίες εκπομπής και ανίχνευσης για να εξασφαλίσει ακριβείς μετρήσεις απόστασης.

Διαμόρφωση:

ΜερικοίΚάμερες ToFενσωματώνουν τεχνικές διαμόρφωσης για τη βελτίωση της ακρίβειας και της ευρωστίας των μετρήσεων απόστασης. Αυτές οι κάμερες διαμορφώνουν το εκπεμπόμενο φωτεινό σήμα με συγκεκριμένο μοτίβο ή συχνότητα. Η διαμόρφωση βοηθά στη διάκριση του εκπεμπόμενου φωτός από άλλες πηγές φωτός περιβάλλοντος και ενισχύει την ικανότητα της κάμερας να διαφοροποιεί διαφορετικά αντικείμενα στη σκηνή.

Αλγόριθμος Υπολογισμού Βάθους:

Για να μετατρέψουν τις μετρήσεις χρόνου πτήσης σε πληροφορίες βάθους, οι κάμερες ToF χρησιμοποιούν εξελιγμένους αλγόριθμους. Αυτοί οι αλγόριθμοι αναλύουν τα δεδομένα χρονισμού που λαμβάνονται από τον φωτοανιχνευτή και υπολογίζουν την απόσταση μεταξύ της κάμερας και των αντικειμένων στη σκηνή. Οι αλγόριθμοι υπολογισμού βάθους συχνά περιλαμβάνουν αντιστάθμιση παραγόντων όπως η ταχύτητα διάδοσης του φωτός, ο χρόνος απόκρισης του αισθητήρα και η παρεμβολή φωτός περιβάλλοντος.

Έξοδος δεδομένων βάθους:

Μόλις εκτελεστεί ο υπολογισμός βάθους, η κάμερα ToF παρέχει έξοδο δεδομένων βάθους. Αυτή η έξοδος μπορεί να έχει τη μορφή χάρτη βάθους, νέφους σημείων ή τρισδιάστατης αναπαράστασης της σκηνής. Τα δεδομένα βάθους μπορούν να χρησιμοποιηθούν από εφαρμογές και συστήματα για να ενεργοποιηθούν διάφορες λειτουργίες όπως η παρακολούθηση αντικειμένων, η επαυξημένη πραγματικότητα ή η ρομποτική πλοήγηση.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η συγκεκριμένη εφαρμογή και τα στοιχεία των καμερών ToF μπορεί να διαφέρουν μεταξύ διαφορετικών κατασκευαστών και μοντέλων. Οι εξελίξεις στην τεχνολογία ενδέχεται να εισάγουν πρόσθετες λειτουργίες και βελτιώσεις για τη βελτίωση της απόδοσης και των δυνατοτήτων των συστημάτων κάμερας ToF.

三、Εφαρμογές

Εφαρμογές αυτοκινήτων

Κάμερες ώρας πτήσηςχρησιμοποιούνται σε λειτουργίες υποβοήθησης και ασφάλειας για προηγμένες εφαρμογές αυτοκινήτου, όπως η ενεργητική ασφάλεια πεζών, η ανίχνευση πριν από τη σύγκρουση και οι εφαρμογές εσωτερικού χώρου, όπως η ανίχνευση εκτός θέσης (OOP).

Η εφαρμογή των καμερών ToF

Διεπαφές ανθρώπου-μηχανής και παιχνίδια

As κάμερες ώρας πτήσηςπαρέχει εικόνες απόστασης σε πραγματικό χρόνο, είναι εύκολο να παρακολουθείτε τις κινήσεις των ανθρώπων. Αυτό επιτρέπει νέες αλληλεπιδράσεις με καταναλωτικές συσκευές όπως οι τηλεοράσεις. Ένα άλλο θέμα είναι η χρήση αυτού του τύπου καμερών για αλληλεπίδραση με παιχνίδια σε κονσόλες βιντεοπαιχνιδιών. Ο αισθητήρας Kinect δεύτερης γενιάς που περιλαμβανόταν αρχικά στην κονσόλα Xbox One χρησιμοποιούσε μια κάμερα ώρας πτήσης για την απεικόνιση του εύρους, επιτρέποντας φυσικές διεπαφές χρήστη και παιχνίδια εφαρμογές που χρησιμοποιούν τεχνικές όρασης υπολογιστή και αναγνώρισης χειρονομιών.

Η Creative και η Intel παρέχουν επίσης έναν παρόμοιο τύπο διαδραστικής κάμερας χρόνου πτήσης με χειρονομίες για παιχνίδια, την Senz3D που βασίζεται στην κάμερα DepthSense 325 της Softkinetic. Οι τεχνολογίες Infineon και PMD επιτρέπουν μικροσκοπικές ενσωματωμένες κάμερες βάθους 3D για έλεγχο χειρονομιών κοντινής απόστασης καταναλωτικών συσκευών, όπως υπολογιστές και φορητοί υπολογιστές all-in-one (κάμερες Picco flexx και Picco monstar).

Η εφαρμογή των καμερών ToF σε παιχνίδια

Κάμερες smartphone

Πολλά smartphone περιλαμβάνουν κάμερες ώρας πτήσης. Αυτά χρησιμοποιούνται κυρίως για τη βελτίωση της ποιότητας των φωτογραφιών παρέχοντας στο λογισμικό της κάμερας πληροφορίες σχετικά με το προσκήνιο και το παρασκήνιο. Το πρώτο κινητό τηλέφωνο που χρησιμοποίησε τέτοια τεχνολογία ήταν το LG G3, που κυκλοφόρησε στις αρχές του 2014.

Η εφαρμογή των καμερών ToF σε κινητά τηλέφωνα

Μέτρηση και μηχανική όραση

Άλλες εφαρμογές είναι εργασίες μέτρησης, π.χ. για το ύψος πλήρωσης σε σιλό. Στη βιομηχανική μηχανική όραση, η κάμερα χρόνου πτήσης βοηθά στην ταξινόμηση και τον εντοπισμό αντικειμένων για χρήση από ρομπότ, όπως αντικείμενα που περνούν από έναν μεταφορέα. Τα χειριστήρια πόρτας μπορούν εύκολα να διακρίνουν μεταξύ ζώων και ανθρώπων που φτάνουν στην πόρτα.

Ρομποτική

Μια άλλη χρήση αυτών των καμερών είναι ο τομέας της ρομποτικής: Τα κινητά ρομπότ μπορούν να δημιουργήσουν έναν χάρτη του περιβάλλοντός τους πολύ γρήγορα, επιτρέποντάς τους να αποφεύγουν εμπόδια ή να ακολουθούν ένα ηγετικό άτομο. Καθώς ο υπολογισμός της απόστασης είναι απλός, χρησιμοποιείται μόνο μικρή υπολογιστική ισχύς. Δεδομένου ότι αυτές οι κάμερες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση της απόστασης, οι ομάδες του FIRST Robotics Competition είναι γνωστό ότι χρησιμοποιούν τις συσκευές για αυτόνομες ρουτίνες.

Τοπογραφία της γης

Κάμερες ToFέχουν χρησιμοποιηθεί για τη λήψη ψηφιακών υψομετρικών μοντέλων της τοπογραφίας της επιφάνειας της Γης, για μελέτες στη γεωμορφολογία.

Η εφαρμογή των καμερών ToF στη γεωμορφολογία