I. Qu'est-ce qu'une caméra à temps de vol ?

Les caméras à temps de vol (ToF) sont une technologie de détection de profondeur qui mesure la distance entre la caméra et les objets de la scène en se basant sur le temps que met la lumière pour parcourir la distance aller-retour entre les objets et la caméra. Elles sont couramment utilisées dans diverses applications telles que la réalité augmentée, la robotique, la numérisation 3D, la reconnaissance gestuelle, etc.

Caméras ToFCes appareils fonctionnent en émettant un signal lumineux, généralement infrarouge, et en mesurant le temps nécessaire à ce signal pour revenir après avoir heurté des objets de la scène. Cette mesure est ensuite utilisée pour calculer la distance aux objets, créant ainsi une carte de profondeur ou une représentation 3D de la scène.

Les caméras à temps de vol

Comparées à d'autres technologies de détection de profondeur comme la lumière structurée ou la vision stéréoscopique, les caméras ToF offrent plusieurs avantages. Elles fournissent des informations de profondeur en temps réel, présentent une conception relativement simple et fonctionnent dans diverses conditions d'éclairage. De plus, elles sont compactes et peuvent être intégrées à des appareils plus petits comme les smartphones, les tablettes et les objets connectés.

Les applications des caméras ToF sont diverses. En réalité augmentée, elles permettent de détecter avec précision la profondeur des objets et d'améliorer le réalisme des objets virtuels intégrés au monde réel. En robotique, elles permettent aux robots de percevoir leur environnement et de se déplacer plus efficacement en évitant les obstacles. En numérisation 3D, les caméras ToF capturent rapidement la géométrie d'objets ou d'environnements pour diverses applications telles que la réalité virtuelle, les jeux vidéo ou l'impression 3D. Elles sont également utilisées dans des applications biométriques, comme la reconnaissance faciale ou la reconnaissance gestuelle.

二、Composants des caméras à temps de vol

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

Source lumineuse :

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

Optique:

Une lentille capte la lumière réfléchie et projette l'image de l'environnement sur le capteur d'image (matrice de plan focal). Un filtre optique passe-bande ne laisse passer que la lumière de même longueur d'onde que l'unité d'éclairage. Ceci permet de supprimer la lumière parasite et de réduire le bruit.

Capteur d'image :

C'est le cœur de la caméra TOF. Chaque pixel mesure le temps que met la lumière pour parcourir la distance entre l'unité d'éclairage (laser ou LED), l'objet et le plan focal.

Circuit de temporisation :

Pour mesurer précisément le temps de vol, la caméra nécessite un circuit de synchronisation précis. Ce circuit contrôle l'émission du signal lumineux et détecte le temps nécessaire à la lumière pour atteindre les objets et revenir à la caméra. Il synchronise les processus d'émission et de détection afin de garantir des mesures de distance précises.

Modulation:

QuelquesCaméras ToFCes caméras intègrent des techniques de modulation pour améliorer la précision et la fiabilité des mesures de distance. Elles modulent le signal lumineux émis selon un motif ou une fréquence spécifique. Cette modulation permet de distinguer la lumière émise des autres sources lumineuses ambiantes et améliore la capacité de la caméra à différencier les objets présents dans 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 temporelles reçues du photodétecteur et calculent la distance entre la caméra et les objets présents dans la scène. Les algorithmes de calcul de profondeur prennent souvent en compte des facteurs tels que la vitesse de propagation de la lumière, le temps de réponse du capteur et les interférences de la lumière ambiante.

Données de profondeur en sortie :

Une fois le calcul de profondeur effectué, la caméra ToF fournit des données de profondeur. Ces données peuvent se présenter sous la forme d'une carte de profondeur, d'un nuage de points ou d'une représentation 3D de la scène. Elles peuvent ensuite 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 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 afin d'optimiser les performances et les capacités des systèmes de caméras ToF.

À propos d'Applications

Applications automobiles

Caméras à 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 avant collision et les applications intérieures comme la détection de position hors-position (OOP).

L'application des caméras ToF

Interfaces homme-machine et jeux vidéo

As caméras à temps de volGrâce à la capture d'images à distance en temps réel, le suivi des mouvements humains est aisé. Ceci ouvre la voie à de nouvelles interactions avec des appareils grand public tels que les téléviseurs. L'utilisation de ce type de caméras pour interagir avec les jeux sur consoles de jeux vidéo est également envisagée. Le capteur Kinect de deuxième génération, initialement fourni avec la console Xbox One, utilisait une caméra à temps de vol pour l'imagerie de distance, permettant ainsi des interfaces utilisateur naturelles et des applications de jeu exploitant la vision par ordinateur et la reconnaissance gestuelle.

Creative et Intel proposent également un système similaire de caméra gestuelle interactive à temps de vol pour les jeux vidéo : la Senz3D, basée sur la caméra DepthSense 325 de Softkinetic. Infineon et PMD Technologies proposent quant à eux des caméras de profondeur 3D intégrées et miniatures pour la commande gestuelle à courte portée d’appareils grand public tels que les PC tout-en-un et les ordinateurs portables (caméras Picco flexx et Picco monstar).

L'application des caméras ToF dans les jeux

Caméras de smartphone

Plusieurs smartphones intègrent des caméras à temps de vol (ToF). Celles-ci servent principalement à 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 cette technologie fut le LG G3, sorti début 2014.

L'application des caméras ToF dans les téléphones mobiles

Mesure et vision industrielle

D'autres applications concernent les mesures, par exemple la hauteur de remplissage des silos. En vision industrielle, la caméra à temps de vol permet de classifier et de localiser des objets pour les robots, comme des articles défilant sur un convoyeur. Les systèmes de contrôle d'accès aux portes peuvent facilement distinguer les animaux des humains.

Robotique

Ces caméras trouvent également une application en robotique : les robots mobiles peuvent cartographier rapidement leur environnement, ce qui leur permet d’éviter les obstacles ou de suivre une personne. Le calcul des distances étant simple, la puissance de calcul requise est faible. Ces caméras pouvant aussi servir à mesurer les distances, les équipes participant à la compétition FIRST Robotics les utilisent parfois pour des routines autonomes.

topographie terrestre

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

L'application des caméras ToF en géomorphologie