I. Wat zijn time-of-flight-camera's?

Time-of-flight (ToF) camera's zijn een type dieptesensortechnologie die de afstand tussen de camera en objecten in de scène meet door de tijd te gebruiken die licht nodig heeft om naar de objecten te reizen en terug naar de camera. Ze worden veelvuldig gebruikt in diverse toepassingen zoals augmented reality, robotica, 3D-scanning, gebarenherkenning en meer.

ToF-camera'sHet systeem werkt door een lichtsignaal uit te zenden, meestal infrarood licht, en de tijd te meten die het signaal nodig heeft om terug te kaatsen nadat het objecten in de scène heeft geraakt. Deze tijdmeting wordt vervolgens gebruikt om de afstand tot de objecten te berekenen, waardoor een dieptekaart of een 3D-weergave van de scène ontstaat.

De time-of-flight camera's

Vergeleken met andere dieptesensortechnologieën zoals gestructureerd licht of stereovisie, bieden ToF-camera's verschillende voordelen. Ze leveren realtime diepte-informatie, hebben een relatief eenvoudig ontwerp en kunnen onder uiteenlopende lichtomstandigheden werken. ToF-camera's zijn bovendien compact en kunnen worden geïntegreerd in kleinere apparaten zoals smartphones, tablets en wearables.

De toepassingen van ToF-camera's zijn divers. In augmented reality kunnen ToF-camera's de diepte van objecten nauwkeurig detecteren en het realisme van virtuele objecten in de echte wereld verbeteren. In de robotica stellen ze robots in staat hun omgeving waar te nemen en obstakels effectiever te omzeilen. Bij 3D-scanning kunnen ToF-camera's snel de geometrie van objecten of omgevingen vastleggen voor diverse doeleinden, zoals virtual reality, gaming of 3D-printing. Ze worden ook gebruikt in biometrische toepassingen, zoals gezichtsherkenning of handgebaarherkenning.

二、Onderdelen van time-of-flight-camera's

Time-of-flight (ToF) camera'sBestaat uit verschillende belangrijke componenten die samenwerken om diepte- en afstandsmeting mogelijk te maken. De specifieke componenten kunnen variëren afhankelijk van het ontwerp en de fabrikant, maar dit zijn de fundamentele elementen die doorgaans in ToF-camerasystemen worden aangetroffen:

Lichtbron:

ToF-camera's gebruiken een lichtbron om een ​​lichtsignaal uit te zenden, meestal in de vorm van infrarood (IR) licht. De lichtbron kan een LED (Light-Emitting Diode) of een laserdiode zijn, afhankelijk van het ontwerp van de camera. Het uitgezonden licht beweegt zich naar de objecten in de scène.

Optiek:

Een lens vangt het gereflecteerde licht op en projecteert de omgeving op de beeldsensor (focal plane array). Een optisch banddoorlaatfilter laat alleen licht door met dezelfde golflengte als de lichtbron. Dit helpt om ongewenst licht te onderdrukken en ruis te verminderen.

Beeldsensor:

Dit is het hart van de TOF-camera. Elke pixel meet de tijd die het licht nodig heeft om van de verlichtingseenheid (laser of LED) naar het object en terug naar de brandpuntsvlaksensor te reizen.

Timingcircuits:

Om de vluchttijd nauwkeurig te meten, heeft de camera precieze timingcircuits nodig. Deze circuits regelen de emissie van het lichtsignaal en detecteren de tijd die het licht nodig heeft om de objecten te bereiken en terug te keren naar de camera. Ze synchroniseren de emissie- en detectieprocessen om nauwkeurige afstandsmetingen te garanderen.

Modulatie:

SommigeToF-camera'sDeze camera's integreren modulatietechnieken om de nauwkeurigheid en robuustheid van afstandsmetingen te verbeteren. Ze moduleren het uitgezonden lichtsignaal met een specifiek patroon of frequentie. De modulatie helpt het uitgezonden licht te onderscheiden van andere omgevingslichtbronnen en verbetert het vermogen van de camera om onderscheid te maken tussen verschillende objecten in de scène.

Diepteberekeningsalgoritme:

Om de vluchttijdmetingen om te zetten in diepte-informatie, gebruiken ToF-camera's geavanceerde algoritmen. Deze algoritmen analyseren de timinggegevens die van de fotodetector worden ontvangen en berekenen de afstand tussen de camera en de objecten in de scène. De algoritmen voor diepteberekening houden vaak rekening met factoren zoals de lichtvoortplantingssnelheid, de reactietijd van de sensor en interferentie door omgevingslicht.

Uitvoer van dieptegegevens:

Nadat de diepteberekening is uitgevoerd, levert de ToF-camera dieptegegevens als uitvoer. Deze uitvoer kan de vorm aannemen van een dieptekaart, een puntenwolk of een 3D-weergave van de scène. De dieptegegevens kunnen door applicaties en systemen worden gebruikt om diverse functionaliteiten mogelijk te maken, zoals objecttracking, augmented reality of robotnavigatie.

Het is belangrijk om te weten dat de specifieke implementatie en componenten van ToF-camera's kunnen variëren tussen verschillende fabrikanten en modellen. Technologische vooruitgang kan leiden tot extra functies en verbeteringen die de prestaties en mogelijkheden van ToF-camerasystemen optimaliseren.

三、Toepassingen

Automotive toepassingen

Tijdsopnamecamera'sZe worden gebruikt in assistentie- en veiligheidsfuncties voor geavanceerde automobieltoepassingen, zoals actieve voetgangersveiligheid, detectie van dreigende aanrijdingen en binnentoepassingen zoals detectie van verkeerd geplaatste objecten (OOP).

De toepassing van ToF-camera's

Mens-machine-interfaces en gaming

As tijd-van-vluchtcamera'sDoordat de camera in realtime beelden van afstand kan leveren, is het eenvoudig om de bewegingen van mensen te volgen. Dit maakt nieuwe interacties met consumentenapparaten zoals televisies mogelijk. Een ander onderwerp is het gebruik van dit type camera's voor interactie met games op videogameconsoles. De tweede generatie Kinect-sensor, die oorspronkelijk bij de Xbox One-console werd geleverd, gebruikte een time-of-flight-camera voor de afstandsmeting, waardoor natuurlijke gebruikersinterfaces en game-applicaties mogelijk werden met behulp van computervisie en gebarenherkenningstechnieken.

Creative en Intel bieden ook een vergelijkbaar type interactieve time-of-flight-camera voor gaming aan, de Senz3D, gebaseerd op de DepthSense 325-camera van Softkinetic. Infineon en PMD Technologies maken kleine, geïntegreerde 3D-dieptecamera's mogelijk voor gebarenbesturing op korte afstand van consumentenapparaten zoals all-in-one pc's en laptops (Picco flexx- en Picco monstar-camera's).

De toepassing van ToF-camera's in games

Smartphonecamera's

Verschillende smartphones zijn uitgerust met time-of-flight-camera's. Deze worden voornamelijk gebruikt om de kwaliteit van foto's te verbeteren door de camerasoftware informatie te geven over de voorgrond en de achtergrond. De eerste mobiele telefoon die deze technologie gebruikte, was de LG G3, die begin 2014 werd uitgebracht.

De toepassing van ToF-camera's in mobiele telefoons

Meting en machinaal zien

Andere toepassingen zijn meettaken, bijvoorbeeld voor de vulhoogte in silo's. In industriële machinevisie helpt de time-of-flight-camera bij het classificeren en lokaliseren van objecten voor gebruik door robots, zoals items die op een transportband voorbijkomen. Deurcontrolesystemen kunnen gemakkelijk onderscheid maken tussen dieren en mensen die de deur naderen.

Robotica

Een ander toepassingsgebied van deze camera's is de robotica: mobiele robots kunnen zeer snel een kaart van hun omgeving maken, waardoor ze obstakels kunnen vermijden of een persoon kunnen volgen. Omdat de afstandsberekening eenvoudig is, is er maar weinig rekenkracht nodig. Aangezien deze camera's ook gebruikt kunnen worden om afstanden te meten, gebruiken teams van de FIRST Robotics Competition de apparaten soms voor autonome routines.

Aardtopografie

ToF-camera'szijn gebruikt om digitale hoogtemodellen van de topografie van het aardoppervlak te verkrijgen, voor geomorfologische studies.

De toepassing van ToF-camera's in de geomorfologie