一、Cal é a hora de voo das cámaras?

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 volver á cámara. Úsanse habitualmente en diversas aplicacións como a realidade aumentada, a robótica, a dixitalización 3D, o recoñecemento de xestos e moito máis.

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

As cámaras do tempo de voo

En comparación con outras tecnoloxías de detección de profundidade como a luz estruturada ou a visión estereoscópica, as cámaras ToF ofrecen varias vantaxes. Proporcionan información de profundidade en tempo real, teñen un deseño relativamente sinxelo e poden funcionar en diversas 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 situados no mundo real. Na robótica, permiten que os robots perciban o seu contorno e naveguen polos obstáculos de forma máis eficaz. Na dixitalización 3D, as cámaras ToF poden capturar rapidamente a xeometría de obxectos ou contornas para diversos fins, como a realidade virtual, os xogos ou a impresión 3D. Tamén se usan en aplicacións biométricas, como o recoñecemento facial ou o recoñecemento de xestos coas mans.

二、Compoñentes das cámaras de tempo de voo

Cámaras de tempo de voo (ToF)constan de 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 estes son os elementos fundamentais que se atopan normalmente nos sistemas de cámaras ToF:

Fonte de luz:

As cámaras ToF empregan unha fonte de luz para emitir un sinal luminoso, normalmente en forma de luz infravermella (IR). A fonte de luz pode ser un LED (díodo emisor de luz) 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 representa o contorno no sensor de imaxe (matriz do plano focal). Un filtro de paso de banda óptico só deixa pasar a luz coa mesma lonxitude de onda que a unidade de iluminación. Isto axuda a suprimir a luz non pertinente e a reducir o ruído.

Sensor de imaxe:

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

Circuitos de temporización:

Para medir o tempo de voo con precisión, a cámara necesita un circuíto de temporización 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 ToFincorporan técnicas de modulación para mellorar a precisión e a robustez das medicións de distancia. Estas cámaras modulan o sinal de luz 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 entre 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 tempo recibidos do fotodetector e calculan a distancia entre a cámara e os obxectos da escena. Os algoritmos de cálculo da 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 realizado o cálculo da profundidade, a cámara ToF proporciona unha saída de datos de profundidade. Esta saída pode adoptar a forma dun mapa de profundidade, unha nube de puntos ou unha representación 3D da escena. Os datos de profundidade poden ser empregados por aplicacións e sistemas para habilitar diversas funcionalidades como o seguimento de obxectos, a realidade aumentada ou a navegación robótica.

É importante ter en conta que a implementación e os compoñentes específicos das cámaras ToF poden variar segundo os diferentes fabricantes e modelos. Os avances tecnolóxicos poden introducir funcións e melloras adicionais para optimizar o rendemento e as capacidades dos sistemas de cámaras ToF.

三、Aplicacións

aplicacións automotrices

Cámaras de tempo de vooutilízanse en funcións de asistencia e seguridade para aplicacións avanzadas na automoción, como a seguridade activa de peóns, a detección previa a accidentes e aplicacións en interiores, como a detección de fóra de posición (OOP).

Aplicación das cámaras ToF

Interfaces home-máquina e xogos

As cámaras de tempo de vooproporcionar imaxes de distancia en tempo real, é doado rastrexar 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 na consola Xbox One usaba unha cámara de tempo de voo para a súa imaxe de alcance, o que permitía interfaces de usuario naturais e aplicacións de xogos mediante técnicas de visión por computador e recoñecemento de xestos.

Creative e Intel tamén fornecen un tipo similar de cámara de tempo de voo con xestos interactivos 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 por xestos a curta distancia de dispositivos de consumo como PC e portátiles todo en un (cámaras Picco flexx e Picco monstar).

A aplicación das cámaras ToF en xogos

cámaras de teléfonos intelixentes

Varios teléfonos intelixentes inclúen cámaras con tempo de voo. Estas 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 en empregar esta tecnoloxía foi o LG G3, lanzado a principios de 2014.

A aplicación das 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 de tempo de voo axuda a clasificar e localizar obxectos para o seu uso por parte dos robots, como os artigos que pasan por unha cinta transportadora. 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 crear un mapa da súa contorna moi rapidamente, o que lles permite evitar obstáculos ou seguir a unha persoa que vai diante. Como o cálculo da distancia é sinxelo, utilízase pouca potencia computacional. Dado que estas cámaras tamén se poden usar para medir a distancia, sábese que os equipos da FIRST Robotics Competition usan os dispositivos para rutinas autónomas.

Topografía terrestre

Cámaras ToFforon empregados para obter modelos dixitais de elevación da topografía da superficie terrestre para estudos de xeomorfoloxía.

Aplicación das cámaras ToF na xeomorfoloxía