一、Qu'est-ce que les caméras de temps de vol ?

Les caméras à temps de vol (ToF) sont un type de technologie de détection de profondeur qui mesure la distance entre la caméra et les objets de la scène en utilisant le temps nécessaire à la lumière pour se déplacer vers les objets et revenir vers la caméra. Ils sont couramment utilisés dans diverses applications telles que la réalité augmentée, la robotique, la numérisation 3D, la reconnaissance gestuelle, etc.

Caméras ToFfonctionnent en émettant un signal lumineux, généralement de la lumière infrarouge, et en mesurant le temps nécessaire au signal pour rebondir après avoir heurté des objets dans la scène. Cette mesure du temps est ensuite utilisée pour calculer la distance aux objets, créant ainsi une carte de profondeur ou une représentation 3D de la scène.

Les caméras de temps de vol

Par rapport à d’autres technologies de détection de profondeur comme la lumière structurée ou la vision stéréo, les caméras ToF offrent plusieurs avantages. Ils fournissent des informations de profondeur en temps réel, ont une conception relativement simple et peuvent fonctionner dans diverses conditions d'éclairage. Les caméras ToF sont également compactes et peuvent être intégrées à des appareils plus petits comme les smartphones, les tablettes et les appareils portables.

Les applications des caméras ToF sont diverses. En réalité augmentée, les caméras ToF peuvent détecter avec précision la profondeur des objets et améliorer le réalisme des objets virtuels placés dans le monde réel. En robotique, ils permettent aux robots de percevoir leur environnement et de franchir les obstacles plus efficacement. En numérisation 3D, les caméras ToF peuvent capturer rapidement la géométrie d'objets ou d'environnements à diverses fins comme la réalité virtuelle, les jeux ou l'impression 3D. Ils sont également utilisés dans des applications biométriques, comme la reconnaissance faciale ou la reconnaissance des gestes de la main.

二、Composants des caméras de temps de vol

Caméras à temps de vol (ToF)se composent de plusieurs composants clés qui fonctionnent ensemble pour permettre la détection de profondeur et la mesure de distance. Les composants spécifiques peuvent varier en fonction de la conception et du fabricant, mais voici les éléments fondamentaux que l'on retrouve généralement dans les systèmes de caméras ToF :

Source de lumière :

Les caméras ToF utilisent une source de lumière pour émettre un signal lumineux, généralement sous forme de lumière infrarouge (IR). La source lumineuse peut être une LED (Light-Emitting Diode) ou une diode laser, selon la conception de la caméra. La lumière émise se déplace vers les objets de la scène.

Optique:

Une lentille collecte la lumière réfléchie et image l'environnement sur le capteur d'image (réseau de plan focal). Un filtre passe-bande optique ne laisse passer que la lumière de la même longueur d'onde que l'unité d'éclairage. Cela permet de supprimer la lumière non pertinente et de réduire le bruit.

Capteur d'images :

C'est le cœur de la caméra TOF. Chaque pixel mesure le temps mis par la lumière pour se déplacer de l'unité d'éclairage (laser ou LED) à l'objet et revenir au réseau de plans focaux.

Circuit de synchronisation :

Pour mesurer le temps de vol avec précision, la caméra a besoin de circuits de synchronisation précis. Ce circuit contrôle l'émission du signal lumineux et détecte le temps nécessaire à la lumière pour se rendre aux objets et revenir à la caméra. Il synchronise les processus d'émission et de détection pour garantir des mesures de distance précises.

Modulation:

QuelquesCaméras ToFintégrer des techniques de modulation pour améliorer la précision et la robustesse des mesures de distance. Ces caméras modulent le signal lumineux émis avec un motif ou une fréquence spécifique. La modulation permet de distinguer la lumière émise des autres sources de lumière ambiante et améliore la capacité de la caméra à différencier les différents objets de la scène.

Algorithme de calcul de profondeur:

Pour convertir les mesures de temps de vol en informations de profondeur, les caméras ToF utilisent des algorithmes sophistiqués. Ces algorithmes analysent les données de synchronisation reçues du photodétecteur et calculent la distance entre la caméra et les objets de la scène. Les algorithmes de calcul de profondeur impliquent souvent de compenser des facteurs tels que la vitesse de propagation de la lumière, le temps de réponse du capteur et les interférences de la lumière ambiante.

Sortie des données de profondeur :

Une fois le calcul de profondeur effectué, la caméra ToF fournit une sortie de données de profondeur. Cette sortie peut prendre la forme d’une carte de profondeur, d’un nuage de points ou d’une représentation 3D de la scène. Les données de profondeur peuvent être utilisées par des applications et des systèmes pour activer diverses fonctionnalités telles que le suivi d'objets, la réalité augmentée ou la navigation robotique.

Il est important de noter que la mise en œuvre spécifique et les composants des caméras ToF peuvent varier selon les fabricants et les modèles. Les progrès technologiques peuvent introduire des fonctionnalités et des améliorations supplémentaires pour améliorer les performances et les capacités des systèmes de caméras ToF.

À propos d'Applications

Applications automobiles

Caméras de temps de volsont utilisés dans les fonctions d'assistance et de sécurité pour des applications automobiles avancées telles que la sécurité active des piétons, la détection pré-collision et les applications intérieures telles que la détection de position hors position (POO).

L'application des caméras ToF

Interfaces homme-machine et jeux

As caméras de temps de volfournir des images à distance en temps réel, il est facile de suivre les mouvements des humains. Cela permet de nouvelles interactions avec les appareils grand public tels que les téléviseurs. Un autre sujet est d'utiliser ce type de caméras pour interagir avec les jeux sur les consoles de jeux vidéo. Le capteur Kinect de deuxième génération initialement inclus avec la console Xbox One utilisait une caméra à temps de vol pour l'imagerie de portée, permettant des interfaces utilisateur et des jeux naturels. applications utilisant des techniques de vision par ordinateur et de reconnaissance gestuelle.

Creative et Intel proposent également un type similaire de caméra à temps de vol gestuel interactif pour les jeux, la Senz3D basée sur la caméra DepthSense 325 de Softkinétique. Infineon et PMD Technologies permettent de minuscules caméras de profondeur 3D intégrées pour le contrôle gestuel à courte portée des appareils grand public tels que les PC et ordinateurs portables tout-en-un (caméras Picco flexx et Picco monstar).

L'application des caméras ToF dans les jeux

Caméras pour smartphones

Plusieurs smartphones incluent des caméras de temps de vol. Ceux-ci sont principalement utilisés pour améliorer la qualité des photos en fournissant au logiciel de l’appareil photo des informations sur le premier plan et l’arrière-plan. Le premier téléphone mobile à utiliser une telle technologie a été le LG G3, lancé début 2014.

L'application des caméras ToF dans les téléphones mobiles

Mesure et vision industrielle

D'autres applications sont les tâches de mesure, par exemple pour la hauteur de remplissage dans les silos. En vision industrielle industrielle, la caméra à temps de vol permet de classer et de localiser les objets destinés à être utilisés par les robots, tels que les objets qui passent sur un convoyeur. Les commandes de porte peuvent facilement distinguer les animaux des humains qui atteignent la porte.

Robotique

Une autre utilisation de ces caméras est le domaine de la robotique : les robots mobiles peuvent constituer très rapidement une carte de leur environnement, ce qui leur permet d'éviter des obstacles ou de suivre une personne qui les dirige. Le calcul de la distance étant simple, seule une faible puissance de calcul est utilisée. Étant donné que ces caméras peuvent également être utilisées pour mesurer la distance, les équipes du FIRST Robotics Competition sont connues pour utiliser ces appareils pour des routines autonomes.

Topographie de la Terre

Caméras ToFont été utilisés pour obtenir des modèles numériques d'élévation de la topographie de la surface de la Terre, pour des études en géomorphologie.

L'application des caméras ToF en géomorphologie