一、Что такое времяпролетные камеры?

Камеры времени пролета (ToF) — это тип технологии определения глубины, которая измеряет расстояние между камерой и объектами на сцене, используя время, необходимое свету для прохождения до объектов и обратно в камеру. Они обычно используются в различных приложениях, таких как дополненная реальность, робототехника, 3D-сканирование, распознавание жестов и многое другое.

ToF-камерыработают, излучая световой сигнал, обычно инфракрасный свет, и измеряя время, необходимое сигналу, чтобы прийти в норму после попадания на объекты на сцене. Это измерение времени затем используется для расчета расстояния до объектов, создания карты глубины или трехмерного представления сцены.

Камеры времени полета

По сравнению с другими технологиями определения глубины, такими как структурированный свет или стереозрение, камеры ToF имеют ряд преимуществ. Они предоставляют информацию о глубине в режиме реального времени, имеют относительно простую конструкцию и могут работать в различных условиях освещения. Камеры ToF также компактны и могут быть интегрированы в небольшие устройства, такие как смартфоны, планшеты и носимые устройства.

Применение камер ToF разнообразно. В дополненной реальности камеры ToF могут точно определять глубину объектов и повышать реалистичность виртуальных объектов, помещенных в реальный мир. В робототехнике они позволяют роботам воспринимать окружающую среду и более эффективно преодолевать препятствия. При 3D-сканировании камеры ToF могут быстро фиксировать геометрию объектов или окружающей среды для различных целей, таких как виртуальная реальность, игры или 3D-печать. Они также используются в биометрических приложениях, таких как распознавание лиц или жестов рук.

二、Компоненты времяпролетных камер

Времяпролетные камеры (ToF)состоят из нескольких ключевых компонентов, которые работают вместе, обеспечивая измерение глубины и расстояния. Конкретные компоненты могут различаться в зависимости от конструкции и производителя, но вот основные элементы, обычно встречающиеся в системах камер ToF:

Источник света:

Камеры ToF используют источник света для излучения светового сигнала, обычно в виде инфракрасного (ИК) света. Источником света может быть светодиод (светоизлучающий диод) или лазерный диод, в зависимости от конструкции камеры. Излучаемый свет распространяется на объекты на сцене.

Оптика:

Объектив собирает отраженный свет и отображает окружающую среду на датчике изображения (матрице в фокальной плоскости). Оптический полосовой фильтр пропускает свет только той же длины волны, что и осветительный прибор. Это помогает подавить ненужный свет и снизить шум.

Датчик изображения:

Это сердце TOF-камеры. Каждый пиксель измеряет время, за которое свет прошел от осветительного устройства (лазера или светодиода) до объекта и обратно в матрицу фокальной плоскости.

Схема синхронизации:

Чтобы точно измерить время полета, камере необходима схема точного синхронизации. Эта схема контролирует излучение светового сигнала и определяет время, необходимое свету для достижения объекта и возвращения в камеру. Он синхронизирует процессы излучения и обнаружения для обеспечения точных измерений расстояния.

Модуляция:

НекоторыйToF-камерывключать методы модуляции для повышения точности и надежности измерений расстояний. Эти камеры модулируют излучаемый световой сигнал с определенной структурой или частотой. Модуляция помогает отличить излучаемый свет от других источников окружающего света и расширяет возможности камеры различать различные объекты в сцене.

Алгоритм расчета глубины:

Чтобы преобразовать измерения времени полета в информацию о глубине, камеры ToF используют сложные алгоритмы. Эти алгоритмы анализируют временные данные, полученные от фотодетектора, и рассчитывают расстояние между камерой и объектами сцены. Алгоритмы расчета глубины часто включают компенсацию таких факторов, как скорость распространения света, время отклика датчика и помехи от окружающего света.

Вывод данных о глубине:

После выполнения расчета глубины камера ToF выдает данные о глубине. Этот вывод может иметь форму карты глубины, облака точек или трехмерного представления сцены. Данные о глубине могут использоваться приложениями и системами для реализации различных функций, таких как отслеживание объектов, дополненная реальность или роботизированная навигация.

Важно отметить, что конкретная реализация и компоненты камер ToF могут различаться у разных производителей и моделей. Развитие технологий может привести к появлению дополнительных функций и улучшений для улучшения производительности и возможностей систем камер ToF.

三、Приложения

Автомобильные приложения

Времяпролетные камерыиспользуются в функциях помощи и безопасности для передовых автомобильных приложений, таких как активная безопасность пешеходов, обнаружение предаварийных ситуаций, а также в приложениях внутри помещений, таких как обнаружение вне рабочего места (OOP).

Применение ToF-камер

Человеко-машинные интерфейсы и игры

As времяпролетные камерыпредоставлять изображения на расстоянии в режиме реального времени, легко отслеживать перемещения людей. Это обеспечивает новые возможности взаимодействия с потребительскими устройствами, такими как телевизоры. Еще одна тема — использование камер этого типа для взаимодействия с играми на игровых консолях. Датчик Kinect второго поколения, первоначально входящий в состав консоли Xbox One, использовал времяпролетную камеру для формирования изображения на расстоянии, обеспечивая естественные пользовательские интерфейсы и игры. приложения, использующие методы компьютерного зрения и распознавания жестов.

Creative и Intel также предлагают аналогичный тип интерактивной времяпролетной камеры с жестами для игр — Senz3D, основанной на камере DepthSense 325 от Softkinetic. Infineon и PMD Technologies позволяют использовать крошечные встроенные 3D-камеры глубины для управления жестами с близкого расстояния потребительских устройств, таких как моноблоки ПК и ноутбуки (камеры Picco flexx и Picco monstar).

Применение ToF-камер в играх

Камеры смартфонов

Некоторые смартфоны оснащены камерами времени полета. В основном они используются для улучшения качества фотографий путем предоставления программному обеспечению камеры информации о переднем и заднем плане. Первым мобильным телефоном, в котором использовалась такая технология, стал LG G3, выпущенный в начале 2014 года.

Применение камер ToF в мобильных телефонах

Измерение и машинное зрение

Другими приложениями являются задачи измерения, например, высоты заполнения в силосах. В промышленном машинном зрении времяпролетная камера помогает классифицировать и находить объекты для использования роботами, например предметы, проходящие по конвейеру. Дверные элементы управления позволяют легко отличить животных от людей, приближающихся к двери.

Робототехника

Еще одним применением этих камер является сфера робототехники: мобильные роботы могут очень быстро создавать карту своего окружения, что позволяет им избегать препятствий или следовать за ведущим человеком. Поскольку расчет расстояния прост, используется лишь небольшая вычислительная мощность. Поскольку эти камеры также можно использовать для измерения расстояния, известно, что команды FIRST Robotics Competition используют эти устройства для автономных процедур.

Топография Земли

ToF-камерыбыли использованы для получения цифровых моделей рельефа топографии поверхности Земли для исследований в области геоморфологии.

Применение ToF-камер в геоморфологии