I. ¿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 comúnmente en diversas aplicaciones como realidad aumentada, robótica, escaneo 3D, reconocimiento de gestos y más.

Cámaras ToFFuncionan emitiendo una señal luminosa, generalmente infrarroja, y midiendo el tiempo que tarda la señal en rebotar tras impactar contra los objetos de la escena. Esta medición de tiempo se utiliza para calcular la distancia a los objetos, creando un mapa de profundidad o una representación 3D de la escena.

Las cámaras de tiempo 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 sencillo y funcionan en diversas condiciones de iluminación. Además, son compactas y se pueden integrar en dispositivos pequeños como teléfonos inteligentes, tabletas y dispositivos portátiles.

Las aplicaciones de las cámaras ToF son diversas. En realidad aumentada, permiten detectar con precisión la profundidad de los objetos y mejorar el realismo de los objetos virtuales integrados en el mundo real. En robótica, facilitan que los robots perciban su entorno y superen obstáculos con mayor eficacia. En escaneo 3D, capturan rápidamente la geometría de objetos o entornos para diversos fines, como realidad virtual, videojuegos 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)Consta de varios componentes clave que trabajan conjuntamente para permitir la detección de profundidad y la medición de distancia. Los componentes específicos pueden variar según el diseño y el fabricante, pero estos son los elementos fundamentales que suelen encontrarse 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 se dirige hacia los objetos de la escena.

Óptica:

Una lente recoge la luz reflejada y proyecta la imagen del entorno sobre 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 deseada y a reducir el ruido.

Sensor de imagen:

Este es el núcleo de la cámara TOF. Cada píxel mide el tiempo que tarda la luz en viajar desde la unidad de iluminación (láser o LED) hasta el objeto y de vuelta al sensor del plano focal.

Circuitos de temporización:

Para medir con precisión el tiempo de vuelo, la cámara necesita un circuito de sincronización exacto. 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 ToFIncorporan técnicas de modulación para mejorar la precisión y la robustez de las mediciones de distancia. Estas cámaras modulan la señal de luz emitida con un patrón o frecuencia específicos. La modulación ayuda a distinguir la luz emitida de otras fuentes de luz ambiental y mejora la capacidad de la cámara para diferenciar entre distintos objetos en la escena.

Algoritmo de cálculo de profundidad:

Para convertir las mediciones de tiempo de vuelo en información de profundidad, las cámaras ToF utilizan algoritmos sofisticados. Estos algoritmos analizan los datos de temporización recibidos del fotodetector y calculan la distancia entre la cámara y los objetos de la escena. Los algoritmos de cálculo de profundidad suelen 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 realizado el cálculo de profundidad, la cámara ToF proporciona datos de profundidad. Estos datos pueden presentarse en forma de mapa de profundidad, nube de puntos o representación 3D de la escena. Las aplicaciones y los sistemas pueden utilizar estos datos 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 entre diferentes fabricantes y modelos. Los avances tecnológicos pueden introducir funciones y mejoras adicionales para optimizar 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 la seguridad activa de peatones, la detección previa a la colisión y aplicaciones en interiores, como la detección de fuera de posición (OOP).

Aplicación de cámaras ToF

Interfaces hombre-máquina y videojuegos

As cámaras de tiempo de vueloAl proporcionar imágenes de distancia en tiempo real, es fácil rastrear los movimientos humanos. Esto permite nuevas interacciones con dispositivos de consumo como 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, utilizaba una cámara de tiempo de vuelo para la captura de imágenes de distancia, lo que permitía interfaces de usuario naturales y aplicaciones de juegos mediante técnicas de visión artificial y reconocimiento de gestos.

Creative e Intel también ofrecen un tipo similar de cámara interactiva de tiempo de vuelo para gestos, la Senz3D, basada en la cámara DepthSense 325 de Softkinetic. Infineon y PMD Technologies permiten el desarrollo de pequeñas cámaras de profundidad 3D integradas para el control por gestos de corto alcance en dispositivos de consumo como ordenadores todo en uno y portátiles (cámaras Picco Flexx y Picco Monstar).

La aplicación de cámaras ToF en los juegos

cámaras de teléfonos inteligentes

Varios smartphones incorporan cámaras de tiempo de vuelo (TOF). Estas se utilizan principalmente para mejorar la calidad de las fotos, proporcionando al software de la cámara información sobre el primer plano y el fondo. El primer teléfono móvil en emplear esta tecnología fue el LG G3, lanzado a principios de 2014.

La aplicación de cámaras ToF en teléfonos móviles

Medición y visión artificial

Otras aplicaciones incluyen tareas de medición, por ejemplo, para determinar la altura de llenado en silos. En visión artificial industrial, la cámara de tiempo de vuelo ayuda a clasificar y localizar objetos para su uso por robots, como artículos que se desplazan por una cinta transportadora. Los sistemas de control de puertas pueden distinguir fácilmente entre animales y personas que se acercan a la puerta.

Robótica

Otro uso de estas cámaras es en el campo de la robótica: los robots móviles pueden crear un mapa de su entorno con gran rapidez, lo que les permite evitar obstáculos o seguir a una persona que los guía. Dado que el cálculo de la distancia es sencillo, se requiere poca potencia de cálculo. Como estas cámaras también se pueden usar para medir distancias, se sabe que los equipos de la FIRST Robotics Competition las utilizan para rutinas autónomas.

topografía terrestre

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

La aplicación de cámaras ToF en geomorfología