Po drugie, czym są kamery czasu lotu?

Kamery wykorzystujące technologię pomiaru czasu przelotu (ToF) to rodzaj technologii pomiaru głębi, która mierzy odległość między kamerą a obiektami w scenie, wykorzystując czas potrzebny światłu na dotarcie do obiektów i powrót do kamery. Są one powszechnie wykorzystywane w różnych zastosowaniach, takich jak rzeczywistość rozszerzona, robotyka, skanowanie 3D, rozpoznawanie gestów i inne.

Kamery ToFDziałają poprzez emisję sygnału świetlnego, zazwyczaj podczerwieni, i pomiar czasu, jaki upływa, zanim sygnał odbije się od obiektów w scenie. Pomiar ten jest następnie wykorzystywany do obliczenia odległości do obiektów, tworząc mapę głębi lub trójwymiarową reprezentację sceny.

Kamery czasu lotu

W porównaniu z innymi technologiami pomiaru głębokości, takimi jak światło strukturalne czy widzenie stereoskopowe, kamery ToF oferują szereg zalet. Dostarczają informacji o głębokości w czasie rzeczywistym, mają stosunkowo prostą konstrukcję i mogą pracować w różnych warunkach oświetleniowych. Kamery ToF są również kompaktowe i można je zintegrować z mniejszymi urządzeniami, takimi jak smartfony, tablety i urządzenia noszone.

Zastosowania kamer ToF są różnorodne. W rzeczywistości rozszerzonej kamery ToF umożliwiają precyzyjne wykrywanie głębokości obiektów i poprawę realizmu obiektów wirtualnych umieszczonych w świecie rzeczywistym. W robotyce umożliwiają robotom skuteczniejsze postrzeganie otoczenia i omijanie przeszkód. W skanowaniu 3D kamery ToF umożliwiają szybkie rejestrowanie geometrii obiektów lub środowisk do różnych celów, takich jak rzeczywistość wirtualna, gry czy druk 3D. Znajdują również zastosowanie w aplikacjach biometrycznych, takich jak rozpoznawanie twarzy czy gestów dłoni.

二,Elementy kamer czasu lotu

Kamery czasu przelotu (ToF)Składają się z kilku kluczowych komponentów, które współpracują ze sobą, umożliwiając pomiar głębokości i odległości. Poszczególne komponenty mogą się różnić w zależności od konstrukcji i producenta, ale oto podstawowe elementy, które zazwyczaj można znaleźć w systemach kamer ToF:

Źródło światła:

Kamery ToF wykorzystują źródło światła do emitowania sygnału świetlnego, zazwyczaj w postaci światła podczerwonego (IR). Źródłem światła może być dioda LED (dioda elektroluminescencyjna) lub dioda laserowa, w zależności od konstrukcji kamery. Emitowane światło pada na obiekty w scenie.

Optyka:

Soczewka zbiera odbite światło i obrazuje otoczenie na matrycy (matrycy ogniskowej). Optyczny filtr pasmowy przepuszcza tylko światło o tej samej długości fali co jednostka oświetlająca. Pomaga to tłumić światło niepożądane i redukować szumy.

Czujnik obrazu:

To serce kamery TOF. Każdy piksel mierzy czas, jaki światło zajęło pokonanie drogi od jednostki oświetlającej (lasera lub diody LED) do obiektu i z powrotem do matrycy płaszczyzny ogniskowej.

Układ pomiaru czasu:

Aby dokładnie zmierzyć czas przelotu, kamera potrzebuje precyzyjnego układu synchronizującego. Układ ten steruje emisją sygnału świetlnego i mierzy czas potrzebny światłu na dotarcie do obiektów i powrót do kamery. Synchronizuje on procesy emisji i detekcji, aby zapewnić dokładne pomiary odległości.

Modulacja:

NiektóreKamery ToFWykorzystują techniki modulacji, aby poprawić dokładność i niezawodność pomiarów odległości. Kamery te modulują emitowany sygnał świetlny o określonym wzorze lub częstotliwości. Modulacja pomaga odróżnić emitowane światło od innych źródeł światła otoczenia i zwiększa zdolność kamery do rozróżniania różnych obiektów w scenie.

Algorytm obliczania głębokości:

Aby przekonwertować pomiary czasu przelotu na informacje o głębokości, kamery ToF wykorzystują zaawansowane algorytmy. Algorytmy te analizują dane czasowe otrzymane z fotodetektora i obliczają odległość między kamerą a obiektami w scenie. Algorytmy obliczania głębokości często uwzględniają kompensację czynników takich jak prędkość propagacji światła, czas reakcji czujnika i zakłócenia światła otoczenia.

Wyjście danych o głębokości:

Po wykonaniu obliczeń głębokości kamera ToF generuje dane o głębokości. Dane te mogą mieć postać mapy głębokości, chmury punktów lub trójwymiarowej reprezentacji sceny. Dane o głębokości mogą być wykorzystywane przez aplikacje i systemy do realizacji różnych funkcji, takich jak śledzenie obiektów, rzeczywistość rozszerzona czy nawigacja robotyczna.

Należy pamiętać, że konkretna implementacja i komponenty kamer ToF mogą się różnić w zależności od producenta i modelu. Postęp technologiczny może wprowadzić dodatkowe funkcje i udoskonalenia, które zwiększą wydajność i możliwości systemów kamer ToF.

三, Aplikacje

Zastosowania motoryzacyjne

Kamery czasu przelotusą stosowane w funkcjach wspomagających i zapewniających bezpieczeństwo w zaawansowanych zastosowaniach motoryzacyjnych, takich jak aktywne bezpieczeństwo pieszych, wykrywanie kolizji oraz w zastosowaniach wewnątrz pomieszczeń, np. wykrywanie nieprawidłowego położenia (OOP).

Zastosowanie kamer ToF

Interfejsy człowiek-maszyna i gry

As kamery czasu przelotuDostarczając obrazy odległości w czasie rzeczywistym, można łatwo śledzić ruchy ludzi. Umożliwia to nowe interakcje z urządzeniami konsumenckimi, takimi jak telewizory. Kolejnym tematem jest wykorzystanie tego typu kamer do interakcji z grami na konsolach do gier wideo. Czujnik Kinect drugiej generacji, pierwotnie dołączony do konsoli Xbox One, wykorzystywał kamerę z funkcją pomiaru czasu przelotu (TFT) do obrazowania zasięgu, umożliwiając naturalne interfejsy użytkownika i aplikacje do gier wykorzystujące techniki widzenia komputerowego i rozpoznawania gestów.

Creative i Intel oferują również podobny typ interaktywnej kamery z funkcją pomiaru czasu lotu (time-of-flight) do gier – Senz3D, opartą na kamerze DepthSense 325 firmy Softkinetic. Infineon i PMD Technologies tworzą niewielkie, zintegrowane kamery głębi 3D do sterowania gestami z bliskiej odległości urządzeniami konsumenckimi, takimi jak komputery typu „wszystko w jednym” i laptopy (kamery Picco flexx i Picco monstar).

Zastosowanie kamer ToF w grach

Aparaty w smartfonach

Wiele smartfonów jest wyposażonych w aparaty z funkcją pomiaru czasu przelotu (Time-of-Flight). Służą one głównie do poprawy jakości zdjęć poprzez dostarczanie oprogramowaniu aparatu informacji o pierwszym i drugim planie. Pierwszym telefonem komórkowym wykorzystującym tę technologię był LG G3, wprowadzony na rynek na początku 2014 roku.

Zastosowanie kamer ToF w telefonach komórkowych

Pomiary i widzenie maszynowe

Inne zastosowania obejmują zadania pomiarowe, np. pomiar wysokości napełnienia silosów. W przemysłowym systemie widzenia maszynowego kamera z funkcją pomiaru czasu przelotu pomaga klasyfikować i lokalizować obiekty do wykorzystania przez roboty, takie jak przedmioty przejeżdżające na przenośniku. Systemy sterowania drzwiami mogą łatwo odróżnić zwierzęta od ludzi docierających do drzwi.

Robotyka

Innym zastosowaniem tych kamer jest robotyka: roboty mobilne mogą bardzo szybko tworzyć mapę otoczenia, co pozwala im omijać przeszkody lub podążać za osobą prowadzącą. Ponieważ obliczanie odległości jest proste, zużywana jest jedynie niewielka moc obliczeniowa. Ponieważ kamery te mogą być również używane do pomiaru odległości, zespoły biorące udział w zawodach FIRST Robotics Competition wykorzystują te urządzenia do autonomicznych procedur.

Topografia Ziemi

Kamery ToFzostały wykorzystane do uzyskania cyfrowych modeli terenu przedstawiających topografię powierzchni Ziemi, na potrzeby badań geomorfologicznych.

Zastosowanie kamer ToF w geomorfologii