1. 비행시간측정 카메라란 무엇인가요?

ToF(Time-of-Flight) 카메라는 빛이 물체까지 갔다가 카메라로 돌아오는 데 걸리는 시간을 이용하여 카메라와 물체 사이의 거리를 측정하는 심도 감지 기술의 일종입니다. 증강 현실, 로봇 공학, 3D 스캐닝, 제스처 인식 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다.

ToF 카메라일반적으로 적외선과 같은 광 신호를 방출하고 장면 내 물체에 부딪혀 반사되어 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정하는 방식으로 작동합니다. 이 시간 측정값을 사용하여 물체까지의 거리를 계산하고, 이를 통해 깊이 맵 또는 장면의 3D 표현을 생성합니다.

비행시간 카메라

구조광 방식이나 스테레오 비전과 같은 다른 심도 감지 기술과 비교했을 때, ToF 카메라는 여러 가지 장점을 제공합니다. 실시간 심도 정보를 제공하고, 비교적 간단한 구조를 가지며, 다양한 조명 조건에서 작동할 수 있습니다. 또한 ToF 카메라는 크기가 작아 스마트폰, 태블릿, 웨어러블 기기와 같은 소형 장치에 통합할 수 있습니다.

ToF 카메라의 응용 분야는 매우 다양합니다. 증강 현실에서 ToF 카메라는 물체의 깊이를 정확하게 감지하여 현실 세계에 배치된 가상 객체의 사실감을 향상시킬 수 있습니다. 로봇 공학에서는 로봇이 주변 환경을 인식하고 장애물을 더욱 효과적으로 회피할 수 있도록 지원합니다. 3D 스캐닝 분야에서는 ToF 카메라를 사용하여 가상 현실, 게임, 3D 프린팅 등 다양한 목적으로 물체나 환경의 기하학적 형상을 빠르게 캡처할 수 있습니다. 또한 얼굴 인식이나 손동작 인식과 같은 생체 인식 분야에도 사용됩니다.

2,비행시간 측정 카메라의 구성 요소

ToF(Time-of-Flight) 카메라ToF 카메라 시스템은 깊이 감지 및 거리 측정을 가능하게 하는 여러 핵심 구성 요소로 이루어져 있습니다. 구체적인 구성 요소는 설계 및 제조업체에 따라 다를 수 있지만, 일반적으로 ToF 카메라 시스템에서 찾아볼 수 있는 기본 요소는 다음과 같습니다.

광원:

ToF 카메라는 광원을 사용하여 빛 신호를 방출하는데, 일반적으로 적외선(IR) 형태입니다. 광원은 카메라 설계에 따라 LED(발광 다이오드) 또는 레이저 다이오드일 수 있습니다. 방출된 빛은 장면 속 물체를 향해 이동합니다.

광학:

렌즈는 반사된 빛을 모아 주변 환경의 이미지를 이미지 센서(초점면 배열)에 맺히게 합니다. 광학 대역 통과 필터는 조명 장치와 동일한 파장의 빛만 통과시킵니다. 이는 불필요한 빛을 억제하고 노이즈를 줄이는 데 도움이 됩니다.

이미지 센서:

이것이 TOF 카메라의 핵심입니다. 각 픽셀은 빛이 조명 장치(레이저 또는 LED)에서 물체까지 이동했다가 다시 초점면 배열로 돌아오는 데 걸린 시간을 측정합니다.

타이밍 회로:

정확한 비행시간 측정을 위해서는 카메라에 정밀한 타이밍 회로가 필요합니다. 이 회로는 광 신호의 방출을 제어하고 빛이 물체에 도달했다가 카메라로 돌아오는 데 걸리는 시간을 감지합니다. 방출 및 감지 과정을 동기화하여 정확한 거리 측정을 보장합니다.

조정:

일부ToF 카메라거리 측정의 정확성과 안정성을 향상시키기 위해 변조 기술을 적용합니다. 이러한 카메라는 방출되는 빛 신호를 특정 패턴이나 주파수로 변조합니다. 변조를 통해 방출된 빛을 주변의 다른 광원과 구분할 수 있으며, 장면 내 다양한 ​​물체를 구별하는 카메라의 능력을 향상시킵니다.

깊이 계산 알고리즘:

ToF 카메라는 시간차 측정값을 깊이 정보로 변환하기 위해 정교한 알고리즘을 사용합니다. 이 알고리즘은 광검출기에서 수신된 시간 데이터를 분석하여 카메라와 장면 속 물체 사이의 거리를 계산합니다. 깊이 계산 알고리즘에는 빛의 전파 속도, 센서 응답 시간, 주변광 간섭과 같은 요소를 보정하는 과정이 포함되는 경우가 많습니다.

심도 데이터 출력:

ToF 카메라는 깊이 계산이 완료되면 깊이 데이터를 출력합니다. 이 출력은 깊이 맵, 포인트 클라우드 또는 장면의 3D 표현 형태로 나타날 수 있습니다. 깊이 데이터는 객체 추적, 증강 현실 또는 로봇 내비게이션과 같은 다양한 기능을 구현하기 위해 애플리케이션 및 시스템에서 활용될 수 있습니다.

ToF 카메라의 구체적인 구현 방식과 구성 요소는 제조사 및 모델에 따라 다를 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 기술 발전으로 인해 ToF 카메라 시스템의 성능과 기능을 향상시키는 추가 기능 및 개선 사항이 도입될 수 있습니다.

셋、응용 프로그램

자동차용 애플리케이션

비행시간 카메라이러한 기술은 능동형 보행자 안전, 충돌 전 감지 및 실내 애플리케이션(예: 위치 이탈(OOP) 감지)과 같은 첨단 자동차 애플리케이션의 보조 및 안전 기능에 사용됩니다.

ToF 카메라의 응용

인간-기계 인터페이스 및 게임

As 시간차 측정 카메라실시간으로 거리 이미지를 제공하므로 사람의 움직임을 쉽게 추적할 수 있습니다. 이를 통해 텔레비전과 같은 소비자 기기와의 새로운 상호 작용이 가능해집니다. 또 다른 연구 주제는 이러한 유형의 카메라를 비디오 게임 콘솔의 게임과 상호 작용하는 데 사용하는 것입니다. Xbox One 콘솔에 처음 탑재된 2세대 Kinect 센서는 거리 측정을 위해 ToF(Time-of-Flight) 카메라를 사용하여 컴퓨터 비전 및 제스처 인식 기술을 활용한 자연스러운 사용자 인터페이스와 게임 애플리케이션을 구현했습니다.

Creative와 Intel은 Softkinetic의 DepthSense 325 카메라를 기반으로 하는 Senz3D라는 유사한 유형의 게임용 대화형 제스처 ToF(Time-of-Flight) 카메라를 제공합니다. Infineon과 PMD Technologies는 올인원 PC 및 노트북과 같은 소비자 기기의 근거리 제스처 제어를 위한 소형 통합 3D 심도 카메라(Picco flexx 및 Picco monstar 카메라)를 개발했습니다.

게임에서의 ToF 카메라 활용

스마트폰 카메라

최근 출시된 여러 스마트폰에는 ToF(Time-of-Flight) 카메라가 탑재되어 있습니다. 이 카메라는 주로 전경과 배경에 대한 정보를 카메라 소프트웨어에 제공하여 사진 품질을 향상시키는 데 사용됩니다. 이러한 기술을 최초로 적용한 휴대폰은 2014년 초에 출시된 LG G3입니다.

휴대폰에 ToF 카메라를 적용하는 것

측정 및 머신 비전

다른 응용 분야로는 사일로의 적재 높이 측정과 같은 측정 작업이 있습니다. 산업용 머신 비전 분야에서는 비행시간측정 카메라가 컨베이어 벨트를 따라 이동하는 물체와 같은 로봇이 사용할 객체를 분류하고 위치를 파악하는 데 도움을 줍니다. 또한 출입 통제 시스템은 문에 접근하는 동물과 사람을 쉽게 구분할 수 있습니다.

로봇공학

이러한 카메라의 또 다른 활용 분야는 로봇 공학입니다. 이동형 로봇은 주변 환경의 지도를 매우 빠르게 구축하여 장애물을 피하거나 선두에 선 사람을 따라갈 수 있습니다. 거리 계산이 간단하기 때문에 필요한 연산 능력도 적습니다. 또한 이러한 카메라는 거리 측정에도 사용할 수 있으므로, FIRST 로봇 공학 대회 참가팀들은 자율 주행 루틴에 이 장치를 활용하는 것으로 알려져 있습니다.

지구 지형

ToF 카메라지구 표면 지형의 디지털 고도 모델을 얻어 지형학 연구에 활용되어 왔다.

지형학에서 ToF 카메라의 활용