一、Que é o tempo das cámaras de voo?

As cámaras de tempo de voo (ToF) son un tipo de tecnoloxía de detección de profundidade que mide a distancia entre a cámara e os obxectos da escena utilizando o tempo que tarda a luz en viaxar ata os obxectos e de volta á cámara. Utilízanse habitualmente en varias aplicacións como a realidade aumentada, a robótica, a dixitalización 3D, o recoñecemento de xestos e moito máis.

Cámaras ToFfunciona emitindo un sinal luminoso, normalmente luz infravermella, e medindo o tempo que tarda o sinal en rebotar despois de impactar contra obxectos da escena. Esta medición do tempo emprégase entón para calcular a distancia aos obxectos, creando un mapa de profundidade ou unha representación 3D da escena.

O tempo das cámaras de voo

En comparación con outras tecnoloxías de detección de profundidade, como a luz estruturada ou a visión estéreo, as cámaras ToF ofrecen varias vantaxes. Ofrecen información de profundidade en tempo real, teñen un deseño relativamente sinxelo e poden funcionar en varias condicións de iluminación. As cámaras ToF tamén son compactas e pódense integrar en dispositivos máis pequenos como teléfonos intelixentes, tabletas e dispositivos portátiles.

As aplicacións das cámaras ToF son diversas. Na realidade aumentada, as cámaras ToF poden detectar con precisión a profundidade dos obxectos e mellorar o realismo dos obxectos virtuais colocados no mundo real. En robótica, permiten aos robots percibir o seu entorno e navegar polos obstáculos de forma máis eficaz. No escaneado 3D, as cámaras ToF poden capturar rapidamente a xeometría de obxectos ou ambientes para varios propósitos como realidade virtual, xogos ou impresión 3D. Tamén se utilizan en aplicacións biométricas, como o recoñecemento facial ou o recoñecemento de xestos da man.

二、Compoñentes do tempo das cámaras de voo

Cámaras de tempo de voo (ToF).consiste en varios compoñentes clave que traballan xuntos para permitir a detección de profundidade e a medición de distancia. Os compoñentes específicos poden variar dependendo do deseño e do fabricante, pero aquí están os elementos fundamentais que normalmente se atopan nos sistemas de cámara ToF:

Fonte de luz:

As cámaras ToF usan unha fonte de luz para emitir un sinal luminoso, xeralmente en forma de luz infravermella (IR). A fonte de luz pode ser un LED (Light-Emitting Diode) ou un díodo láser, dependendo do deseño da cámara. A luz emitida viaxa cara aos obxectos da escena.

Óptica:

Unha lente recolle a luz reflectida e imaxes do ambiente no sensor de imaxe (matriz de plano focal). Un filtro óptico de paso de banda só fai pasar a luz coa mesma lonxitude de onda que a unidade de iluminación. Isto axuda a suprimir a luz non pertinente e reducir o ruído.

Sensor de imaxe:

Este é o corazón da cámara TOF. Cada píxel mide o tempo que tardou a luz en viaxar desde a unidade de iluminación (láser ou LED) ata o obxecto e de volta á matriz do plano focal.

Circuito de temporización:

Para medir o tempo de voo con precisión, a cámara necesita un circuíto de sincronización preciso. Este circuíto controla a emisión do sinal luminoso e detecta o tempo que tarda a luz en viaxar ata os obxectos e regresar á cámara. Sincroniza os procesos de emisión e detección para garantir medicións de distancia precisas.

Modulación:

AlgúnsCámaras ToFincorporar técnicas de modulación para mellorar a precisión e robustez das medidas de distancia. Estas cámaras modulan o sinal luminoso emitido cun patrón ou frecuencia específicos. A modulación axuda a distinguir a luz emitida doutras fontes de luz ambiental e mellora a capacidade da cámara para diferenciar os diferentes obxectos da escena.

Algoritmo de cálculo de profundidade:

Para converter as medicións do tempo de voo en información de profundidade, as cámaras ToF utilizan algoritmos sofisticados. Estes algoritmos analizan os datos de temporización recibidos do fotodetector e calculan a distancia entre a cámara e os obxectos da escena. Os algoritmos de cálculo de profundidade adoitan implicar a compensación de factores como a velocidade de propagación da luz, o tempo de resposta do sensor e a interferencia da luz ambiental.

Saída de datos de profundidade:

Unha vez que se realiza o cálculo da profundidade, a cámara ToF proporciona saída de datos de profundidade. Esta saída pode tomar a forma dun mapa de profundidade, unha nube de puntos ou unha representación 3D da escena. Os datos de profundidade poden ser usados ​​por aplicacións e sistemas para habilitar varias funcionalidades como o seguimento de obxectos, a realidade aumentada ou a navegación robótica.

É importante ter en conta que a implementación específica e os compoñentes das cámaras ToF poden variar en diferentes fabricantes e modelos. Os avances na tecnoloxía poden introducir funcións e melloras adicionais para mellorar o rendemento e as capacidades dos sistemas de cámara ToF.

三、Aplicacións

Aplicacións de automoción

Cámaras de tempo de vooutilízanse en funcións de asistencia e seguridade para aplicacións automotrices avanzadas, como a seguridade activa dos peóns, a detección previa ao choque e as aplicacións interiores como a detección de fóra de posición (OOP).

A aplicación de cámaras ToF

Interfaces home-máquina e xogos

As cámaras de tempo de vooproporcionar imaxes de distancia en tempo real, é fácil seguir os movementos dos humanos. Isto permite novas interaccións con dispositivos de consumo como televisores. Outro tema é usar este tipo de cámaras para interactuar con xogos en consolas de videoxogos. O sensor Kinect de segunda xeración incluído orixinalmente coa consola Xbox One utilizaba unha cámara de tempo de voo para a súa imaxe de alcance, permitindo interfaces de usuario e xogos naturais. aplicacións que utilizan técnicas de visión por ordenador e recoñecemento de xestos.

Creative e Intel tamén proporcionan un tipo similar de cámara interactiva de tempo de voo para xogos, a Senz3D baseada na cámara DepthSense 325 de Softkinetic. Infineon e PMD Technologies permiten pequenas cámaras de profundidade 3D integradas para o control de xestos de alcance próximo de dispositivos de consumo, como ordenadores e portátiles todo-en-un (cámaras Picco flexx e Picco monstar).

A aplicación de cámaras ToF nos xogos

Cámaras de smartphones

Varios teléfonos intelixentes inclúen cámaras de tempo de voo. Estes úsanse principalmente para mellorar a calidade das fotos proporcionando ao software da cámara información sobre o primeiro plano e o fondo. O primeiro teléfono móbil que empregou esta tecnoloxía foi o LG G3, lanzado a principios de 2014.

A aplicación de cámaras ToF en teléfonos móbiles

Medición e visión artificial

Outras aplicacións son tarefas de medición, por exemplo, para a altura de recheo en silos. Na visión artificial industrial, a cámara do tempo de voo axuda a clasificar e localizar obxectos para o seu uso por robots, como os elementos que pasan por un transportador. Os controis das portas poden distinguir facilmente entre animais e humanos que chegan á porta.

Robótica

Outro uso destas cámaras é o campo da robótica: os robots móbiles poden construír un mapa da súa contorna moi rapidamente, o que lles permite evitar obstáculos ou seguir a unha persoa líder. Como o cálculo da distancia é sinxelo, só se utiliza pouca potencia de cálculo. Dado que estas cámaras tamén se poden usar para medir distancias, os equipos de FIRST Robotics Competition saben que usan os dispositivos para rutinas autónomas.

Topografía terrestre

Cámaras ToFutilizáronse para obter modelos dixitais de elevación da topografía da superficie terrestre, para estudos de xeomorfoloxía.

A aplicación das cámaras ToF en xeomorfoloxía