一、¿Qué son las cámaras de tiempo de vuelo?

Las cámaras de tiempo de vuelo (ToF) son un tipo de tecnología de detección de profundidad que mide la distancia entre la cámara y los objetos en la escena utilizando el tiempo que tarda la luz en viajar hasta los objetos y regresar a la cámara. Se utilizan habitualmente en diversas aplicaciones, como realidad aumentada, robótica, escaneo 3D, reconocimiento de gestos y más.

Cámaras ToFfuncionan emitiendo una señal de luz, generalmente luz infrarroja, y midiendo el tiempo que tarda la señal en rebotar después de golpear objetos en la escena. Esta medición del tiempo se utiliza luego para calcular la distancia a los objetos, creando un mapa de profundidad o una representación 3D de la escena.

El tiempo de las cámaras de vuelo.

En comparación con otras tecnologías de detección de profundidad, como la luz estructurada o la visión estéreo, las cámaras ToF ofrecen varias ventajas. Proporcionan información de profundidad en tiempo real, tienen un diseño relativamente simple y pueden funcionar en diversas condiciones de iluminación. Las cámaras ToF también son compactas y pueden integrarse en dispositivos más pequeños como teléfonos inteligentes, tabletas y dispositivos portátiles.

Las aplicaciones de las cámaras ToF son diversas. En realidad aumentada, las cámaras ToF pueden detectar con precisión la profundidad de los objetos y mejorar el realismo de los objetos virtuales colocados en el mundo real. En robótica, permiten a los robots percibir su entorno y superar obstáculos de forma más eficaz. En el escaneo 3D, las cámaras ToF pueden capturar rápidamente la geometría de objetos o entornos para diversos fines, como realidad virtual, juegos o impresión 3D. También se utilizan en aplicaciones biométricas, como el reconocimiento facial o el reconocimiento de gestos con las manos.

二、Componentes de las cámaras de tiempo de vuelo.

Cámaras de tiempo de vuelo (ToF)Constan de varios componentes clave que trabajan juntos para permitir la detección de profundidad y la medición de distancias. Los componentes específicos pueden variar según el diseño y el fabricante, pero estos son los elementos fundamentales que normalmente se encuentran en los sistemas de cámaras ToF:

Fuente de luz:

Las cámaras ToF utilizan una fuente de luz para emitir una señal luminosa, generalmente en forma de luz infrarroja (IR). La fuente de luz puede ser un LED (diodo emisor de luz) o un diodo láser, según el diseño de la cámara. La luz emitida viaja hacia los objetos de la escena.

Óptica:

Una lente recoge la luz reflejada y capta el entorno en el sensor de imagen (matriz de plano focal). Un filtro óptico de paso de banda solo deja pasar la luz con la misma longitud de onda que la unidad de iluminación. Esto ayuda a suprimir la luz no pertinente y reducir el ruido.

Sensor de imagen:

Este es el corazón de la cámara TOF. Cada píxel mide el tiempo que ha tardado la luz en viajar desde la unidad de iluminación (láser o LED) hasta el objeto y de regreso al conjunto del plano focal.

Circuito de sincronización:

Para medir con precisión el tiempo de vuelo, la cámara necesita un circuito de sincronización preciso. Este circuito controla la emisión de la señal luminosa y detecta el tiempo que tarda la luz en viajar hasta los objetos y regresar a la cámara. Sincroniza los procesos de emisión y detección para garantizar mediciones de distancia precisas.

Modulación:

AlgunoCámaras ToFincorporar técnicas de modulación para mejorar la precisión y robustez de las mediciones de distancia. Estas cámaras modulan la señal de luz emitida con un patrón o frecuencia específica. La modulación ayuda a distinguir la luz emitida de otras fuentes de luz ambiental y mejora la capacidad de la cámara para diferenciar entre diferentes objetos en la escena.

Algoritmo de cálculo de profundidad:

Para convertir las mediciones del tiempo de vuelo en información de profundidad, las cámaras ToF utilizan algoritmos sofisticados. Estos algoritmos analizan los datos de sincronización recibidos del fotodetector y calculan la distancia entre la cámara y los objetos en la escena. Los algoritmos de cálculo de profundidad a menudo implican compensar factores como la velocidad de propagación de la luz, el tiempo de respuesta del sensor y la interferencia de la luz ambiental.

Salida de datos de profundidad:

Una vez que se realiza el cálculo de profundidad, la cámara ToF proporciona datos de profundidad. Este resultado puede tomar la forma de un mapa de profundidad, una nube de puntos o una representación 3D de la escena. Las aplicaciones y sistemas pueden utilizar los datos de profundidad para habilitar diversas funcionalidades como el seguimiento de objetos, la realidad aumentada o la navegación robótica.

Es importante tener en cuenta que la implementación y los componentes específicos de las cámaras ToF pueden variar según los diferentes fabricantes y modelos. Los avances en la tecnología pueden introducir características y mejoras adicionales para mejorar el rendimiento y las capacidades de los sistemas de cámaras ToF.

三、Aplicaciones

Aplicaciones automotrices

Cámaras de tiempo de vuelose utilizan en funciones de asistencia y seguridad para aplicaciones automotrices avanzadas, como seguridad activa de peatones, detección previa a una colisión y aplicaciones en interiores como detección de fuera de posición (OOP).

La aplicación de las cámaras ToF

Interfaces hombre-máquina y juegos

As cámaras de tiempo de vueloAl proporcionar imágenes a distancia en tiempo real, es fácil seguir los movimientos de los humanos. Esto permite nuevas interacciones con dispositivos de consumo como los televisores. Otro tema es el uso de este tipo de cámaras para interactuar con juegos en consolas de videojuegos. El sensor Kinect de segunda generación incluido originalmente con la consola Xbox One usaba una cámara de tiempo de vuelo para obtener imágenes de alcance, lo que permitía interfaces de usuario y juegos naturales. aplicaciones que utilizan técnicas de visión por computadora y reconocimiento de gestos.

Creative e Intel también ofrecen un tipo similar de cámara de tiempo de vuelo con gestos interactivos para juegos, la Senz3D basada en la cámara DepthSense 325 de Softkinetic. Infineon y PMD Technologies habilitan pequeñas cámaras de profundidad 3D integradas para el control de gestos de corto alcance de dispositivos de consumo como PC y portátiles todo en uno (cámaras Picco flexx y Picco monstar).

La aplicación de las cámaras ToF en los juegos

Cámaras de teléfonos inteligentes

Varios teléfonos inteligentes incluyen cámaras de tiempo de vuelo. Se utilizan principalmente para mejorar la calidad de las fotografías proporcionando al software de la cámara información sobre el primer plano y el fondo. El primer teléfono móvil que utilizó esta tecnología fue el LG G3, lanzado a principios de 2014.

La aplicación de las cámaras ToF en los teléfonos móviles

Medición y visión artificial.

Otras aplicaciones son las tareas de medición, p. ej. de la altura de llenado en silos. En la visión artificial industrial, la cámara de tiempo de vuelo ayuda a clasificar y localizar objetos para que los utilicen robots, como los elementos que pasan por un transportador. Los controles de las puertas pueden distinguir fácilmente entre animales y personas que llegan a la puerta.

Robótica

Otro uso de estas cámaras es el campo de la robótica: los robots móviles pueden crear muy rápidamente un mapa de su entorno, lo que les permite evitar obstáculos o seguir a una persona líder. Como el cálculo de la distancia es sencillo, se utiliza poca potencia computacional. Dado que estas cámaras también se pueden utilizar para medir distancias, se sabe que los equipos de FIRST Robotics Competition utilizan los dispositivos para rutinas autónomas.

topografía terrestre

Cámaras ToFse han utilizado para obtener modelos digitales de elevación de la topografía de la superficie terrestre, para estudios de geomorfología.

La aplicación de las cámaras ToF en geomorfología.