۱. دوربینهای زمان پرواز چیستند؟
دوربینهای زمان پرواز (ToF) نوعی فناوری سنجش عمق هستند که با استفاده از زمانی که نور برای رسیدن به اشیاء و بازگشت به دوربین صرف میکند، فاصله بین دوربین و اشیاء موجود در صحنه را اندازهگیری میکنند. آنها معمولاً در کاربردهای مختلفی مانند واقعیت افزوده، رباتیک، اسکن سهبعدی، تشخیص حرکت و موارد دیگر استفاده میشوند.
دوربینهای ToFبا انتشار یک سیگنال نوری، معمولاً نور مادون قرمز، و اندازهگیری زمان بازگشت سیگنال پس از برخورد به اشیاء در صحنه، کار میکنند. این اندازهگیری زمانی سپس برای محاسبه فاصله تا اشیاء، ایجاد یک نقشه عمق یا نمایش سهبعدی از صحنه استفاده میشود.
دوربینهای زمان پرواز
در مقایسه با سایر فناوریهای سنجش عمق مانند نور ساختاریافته یا دید استریو، دوربینهای ToF مزایای متعددی ارائه میدهند. آنها اطلاعات عمق را به صورت بلادرنگ ارائه میدهند، طراحی نسبتاً سادهای دارند و میتوانند در شرایط نوری مختلف کار کنند. دوربینهای ToF همچنین جمع و جور هستند و میتوانند در دستگاههای کوچکتری مانند تلفنهای هوشمند، تبلتها و دستگاههای پوشیدنی ادغام شوند.
کاربردهای دوربینهای ToF متنوع است. در واقعیت افزوده، دوربینهای ToF میتوانند عمق اشیاء را به طور دقیق تشخیص دهند و واقعگرایی اشیاء مجازی قرار داده شده در دنیای واقعی را بهبود بخشند. در رباتیک، آنها رباتها را قادر میسازند تا محیط اطراف خود را درک کرده و موانع را به طور مؤثرتری هدایت کنند. در اسکن سهبعدی، دوربینهای ToF میتوانند به سرعت هندسه اشیاء یا محیطها را برای اهداف مختلفی مانند واقعیت مجازی، بازی یا چاپ سهبعدی ثبت کنند. آنها همچنین در کاربردهای بیومتریک مانند تشخیص چهره یا تشخیص حرکات دست استفاده میشوند.
من،اجزای دوربینهای زمان پرواز
دوربینهای زمان پرواز (ToF)شامل چندین جزء کلیدی است که با هم کار میکنند تا حسگر عمق و اندازهگیری فاصله را امکانپذیر سازند. اجزای خاص ممکن است بسته به طراحی و سازنده متفاوت باشند، اما در اینجا عناصر اساسی که معمولاً در سیستمهای دوربین ToF یافت میشوند، آورده شده است:
منبع نور:
دوربینهای ToF از یک منبع نور برای انتشار سیگنال نوری، معمولاً به شکل نور مادون قرمز (IR) استفاده میکنند. منبع نور میتواند یک LED (دیود ساطعکننده نور) یا یک دیود لیزر باشد، بسته به طراحی دوربین. نور ساطع شده به سمت اشیاء موجود در صحنه حرکت میکند.
اپتیک:
یک لنز، نور منعکس شده را جمع آوری کرده و محیط را بر روی حسگر تصویر (آرایه صفحه کانونی) تصویر میکند. یک فیلتر میانگذر نوری فقط نوری را که طول موج آن با واحد روشنایی یکسان است، عبور میدهد. این امر به سرکوب نور نامربوط و کاهش نویز کمک میکند.
حسگر تصویر:
این قلب دوربین TOF است. هر پیکسل مدت زمانی را که نور برای رسیدن از واحد روشنایی (لیزر یا LED) به جسم و بازگشت به آرایه صفحه کانونی صرف کرده است، اندازهگیری میکند.
مدار زمانبندی:
برای اندازهگیری دقیق زمان پرواز، دوربین به مدار زمانبندی دقیقی نیاز دارد. این مدار، انتشار سیگنال نور را کنترل کرده و زمان لازم برای سفر نور به اشیاء و بازگشت به دوربین را تشخیص میدهد. این مدار، فرآیندهای انتشار و تشخیص را هماهنگ میکند تا اندازهگیریهای دقیق فاصله تضمین شود.
مدولاسیون:
برخیدوربینهای ToFتکنیکهای مدولاسیون را برای بهبود دقت و استحکام اندازهگیریهای فاصله به کار میگیرند. این دوربینها سیگنال نور ساطع شده را با یک الگو یا فرکانس خاص مدوله میکنند. مدولاسیون به تشخیص نور ساطع شده از سایر منابع نور محیطی کمک میکند و توانایی دوربین را در تمایز بین اشیاء مختلف در صحنه افزایش میدهد.
الگوریتم محاسبه عمق:
برای تبدیل اندازهگیریهای زمان پرواز به اطلاعات عمق، دوربینهای ToF از الگوریتمهای پیچیدهای استفاده میکنند. این الگوریتمها دادههای زمانبندی دریافتشده از آشکارساز نوری را تجزیه و تحلیل کرده و فاصله بین دوربین و اشیاء موجود در صحنه را محاسبه میکنند. الگوریتمهای محاسبه عمق اغلب شامل جبران عواملی مانند سرعت انتشار نور، زمان پاسخ حسگر و تداخل نور محیط هستند.
خروجی دادههای عمق:
پس از انجام محاسبه عمق، دوربین ToF خروجی دادههای عمق را ارائه میدهد. این خروجی میتواند به شکل نقشه عمق، ابر نقطهای یا نمایش سهبعدی صحنه باشد. دادههای عمق میتوانند توسط برنامهها و سیستمها برای فعال کردن قابلیتهای مختلفی مانند ردیابی اشیا، واقعیت افزوده یا ناوبری رباتیک استفاده شوند.
لازم به ذکر است که پیادهسازی و اجزای خاص دوربینهای ToF میتواند در بین تولیدکنندگان و مدلهای مختلف متفاوت باشد. پیشرفتهای فناوری ممکن است ویژگیها و بهبودهای اضافی را برای بهبود عملکرد و قابلیتهای سیستمهای دوربین ToF معرفی کند.
برنامه های کاربردی
کاربردهای خودرو
دوربینهای زمان پروازدر عملکردهای کمکی و ایمنی برای کاربردهای پیشرفته خودرو مانند ایمنی فعال عابر پیاده، تشخیص پیش از تصادف و کاربردهای داخلی مانند تشخیص خارج از موقعیت (OOP) استفاده میشوند.
کاربرد دوربینهای ToF
رابطهای انسان و ماشین و بازی
As دوربینهای زمان پروازبا ارائه تصاویر فاصله به صورت بلادرنگ، ردیابی حرکات انسان آسان است. این امر امکان تعاملات جدید با دستگاههای مصرفی مانند تلویزیون را فراهم میکند. موضوع دیگر، استفاده از این نوع دوربینها برای تعامل با بازیها در کنسولهای بازیهای ویدیویی است. حسگر Kinect نسل دوم که در ابتدا با کنسول Xbox One عرضه شد، از یک دوربین زمان پرواز برای تصویربرداری برد خود استفاده میکرد و رابطهای کاربری طبیعی و برنامههای بازی را با استفاده از تکنیکهای بینایی کامپیوتر و تشخیص حرکت امکانپذیر میکرد.
شرکتهای Creative و Intel نیز نوع مشابهی از دوربینهای زمان پرواز با قابلیت تشخیص اشاره تعاملی را برای بازی ارائه میدهند، Senz3D که بر اساس دوربین DepthSense 325 شرکت Softkinetic ساخته شده است. شرکتهای Infineon و PMD Technologies دوربینهای عمق سهبعدی یکپارچه و کوچک را برای کنترل حرکتی از فاصله نزدیک دستگاههای مصرفی مانند رایانههای شخصی و لپتاپهای all-in-one (دوربینهای Picco flexx و Picco monstar) فراهم میکنند.
کاربرد دوربینهای ToF در بازیها
دوربینهای گوشیهای هوشمند
چندین گوشی هوشمند شامل دوربینهای زمان پرواز هستند. این دوربینها عمدتاً برای بهبود کیفیت عکسها با ارائه اطلاعات مربوط به پیشزمینه و پسزمینه به نرمافزار دوربین استفاده میشوند. اولین گوشی موبایلی که از چنین فناوری استفاده کرد، الجی G3 بود که در اوایل سال ۲۰۱۴ عرضه شد.
کاربرد دوربینهای ToF در گوشیهای موبایل
اندازهگیری و بینایی ماشین
کاربردهای دیگر، وظایف اندازهگیری هستند، مثلاً برای ارتفاع پر شدن سیلوها. در بینایی ماشین صنعتی، دوربین زمان پرواز به طبقهبندی و مکانیابی اشیاء برای استفاده توسط رباتها، مانند اقلامی که روی نوار نقاله عبور میکنند، کمک میکند. کنترلهای درب میتوانند به راحتی بین حیوانات و انسانهایی که به درب میرسند، تمایز قائل شوند.
رباتیک
یکی دیگر از کاربردهای این دوربینها، حوزه رباتیک است: رباتهای متحرک میتوانند خیلی سریع نقشهای از محیط اطراف خود ایجاد کنند که آنها را قادر میسازد از موانع اجتناب کنند یا از فرد پیشرو پیروی کنند. از آنجایی که محاسبه فاصله ساده است، قدرت محاسباتی کمی استفاده میشود. از آنجایی که این دوربینها میتوانند برای اندازهگیری فاصله نیز استفاده شوند، تیمهای شرکتکننده در مسابقات رباتیک FIRST به استفاده از این دستگاهها برای انجام کارهای روتین خودکار معروف شدهاند.
توپوگرافی زمین
دوربینهای ToFبرای به دست آوردن مدلهای ارتفاعی رقومی از توپوگرافی سطح زمین، برای مطالعات ژئومورفولوژی استفاده شدهاند.
کاربرد دوربینهای ToF در ژئومورفولوژی
زمان ارسال: ۱۹ ژوئیه ۲۰۲۳
