一、Що таке камери часу польоту?

Камери часу прольоту (ToF) – це тип технології визначення глибини, яка вимірює відстань між камерою та об’єктами на сцені, використовуючи час, необхідний для проходження світла до об’єктів і назад до камери. Вони зазвичай використовуються в різних програмах, таких як доповнена реальність, робототехніка, 3D-сканування, розпізнавання жестів тощо.

ToF камериробота, випромінюючи світловий сигнал, як правило, інфрачервоне світло, і вимірювання часу, який потрібен сигналу, щоб відскочити після удару об’єктів у сцені. Це вимірювання часу потім використовується для обчислення відстані до об’єктів, створення карти глибини або тривимірного представлення сцени.

Камери часу польоту

Порівняно з іншими технологіями визначення глибини, як-от структуроване освітлення або стереобачення, камери ToF пропонують кілька переваг. Вони надають інформацію про глибину в реальному часі, мають відносно просту конструкцію і можуть працювати в різних умовах освітлення. Камери ToF також компактні, і їх можна інтегрувати в менші пристрої, такі як смартфони, планшети та переносні пристрої.

Сфери застосування камер ToF різноманітні. У доповненій реальності камери ToF можуть точно визначати глибину об’єктів і покращувати реалістичність віртуальних об’єктів, розміщених у реальному світі. У робототехніці вони дозволяють роботам сприймати навколишнє середовище та ефективніше долати перешкоди. Під час 3D-сканування камери ToF можуть швидко знімати геометрію об’єктів або середовища для різноманітних цілей, наприклад для віртуальної реальності, ігор або 3D-друку. Вони також використовуються в біометричних програмах, таких як розпізнавання обличчя або розпізнавання жестів.

二、Компоненти камер часу польоту

Камери часу прольоту (ToF).складається з кількох ключових компонентів, які працюють разом, щоб забезпечити визначення глибини та вимірювання відстані. Конкретні компоненти можуть відрізнятися залежно від конструкції та виробника, але ось основні елементи, які зазвичай містяться в системах камер ToF:

Джерело світла:

Камери ToF використовують джерело світла для випромінювання світлового сигналу, зазвичай у формі інфрачервоного (ІЧ) світла. Джерелом світла може бути світлодіод (світлодіод) або лазерний діод, залежно від конструкції камери. Випромінюване світло рухається до об’єктів у сцені.

Оптика:

Лінза збирає відбите світло та відображає навколишнє середовище на датчик зображення (матрицю фокальної площини). Оптичний смуговий фільтр пропускає світло лише з тією ж довжиною хвилі, що й блок освітлення. Це допомагає придушити невідповідне світло та зменшити шум.

Датчик зображення:

Це серце камери TOF. Кожен піксель вимірює час, який потрібен світлу для проходження від блоку освітлення (лазера або світлодіода) до об’єкта та назад до матриці фокальної площини.

Схема синхронізації:

Для точного вимірювання часу польоту камері потрібна точна схема синхронізації. Ця схема контролює випромінювання світлового сигналу та визначає час, потрібний для проходження світла до об’єктів і повернення до камери. Він синхронізує процеси випромінювання та виявлення для забезпечення точних вимірювань відстані.

Модуляція:

ДеякіToF камеривключати методи модуляції для підвищення точності та надійності вимірювань відстані. Ці камери модулюють випромінюваний світловий сигнал за певним шаблоном або частотою. Модуляція допомагає відрізнити випромінюване світло від інших джерел навколишнього світла та покращує здатність камери розрізняти різні об’єкти на сцені.

Алгоритм розрахунку глибини:

Щоб перетворити вимірювання часу прольоту в інформацію про глибину, камери ToF використовують складні алгоритми. Ці алгоритми аналізують дані синхронізації, отримані від фотодетектора, і обчислюють відстань між камерою та об’єктами на сцені. Алгоритми обчислення глибини часто включають компенсацію таких факторів, як швидкість поширення світла, час відгуку датчика та інтерференція навколишнього світла.

Вихід даних про глибину:

Після того, як обчислення глибини виконано, камера ToF виводить дані про глибину. Цей результат може мати форму карти глибини, хмари точок або тривимірного представлення сцени. Дані про глибину можуть використовуватися програмами та системами, щоб увімкнути різні функції, такі як відстеження об’єктів, доповнена реальність або роботизована навігація.

Важливо зауважити, що конкретна реалізація та компоненти камер ToF можуть відрізнятися залежно від виробника та моделі. Удосконалення технологій може запровадити додаткові функції та вдосконалення для покращення продуктивності та можливостей систем камер ToF.

三、Програми

Автомобільні програми

Часопрольотні камеривикористовуються в допоміжних і безпекових функціях для розширених автомобільних додатків, таких як активна безпека пішоходів, виявлення перед зіткненнями та застосування всередині приміщень, наприклад виявлення поза положенням (OOP).

Застосування камер ToF

Людино-машинні інтерфейси та ігри

As часопрольотні камеринадає зображення відстані в реальному часі, легко відстежувати переміщення людей. Це дозволяє нові взаємодії з споживчими пристроями, такими як телевізори. Інша тема полягає в тому, щоб використовувати цей тип камер для взаємодії з іграми на відеоігрових консолях. Датчик Kinect другого покоління, який спочатку входив у комплект консолі Xbox One, використовував камеру часу польоту для зображення діапазону, уможливлюючи природні інтерфейси користувача та ігри додатки, що використовують методи комп’ютерного зору та розпізнавання жестів.

Creative і Intel також пропонують подібний тип інтерактивної камери для вимірювання часу проходження жестів для ігор, Senz3D на основі камери DepthSense 325 від Softkinetic. Технології Infineon і PMD дають змогу використовувати крихітні інтегровані 3D-камери глибини для керування жестами на близькій відстані споживчих пристроїв, таких як ПК і ноутбуки «все в одному» (камери Picco flexx і Picco monstar).

Застосування камер ToF в іграх

Камери смартфонів

Кілька смартфонів мають камери часу польоту. Вони в основному використовуються для покращення якості фотографій, надаючи програмному забезпеченню камери інформацію про передній план і фон. Першим мобільним телефоном, який використовує таку технологію, був LG G3, випущений на початку 2014 року.

Застосування камер ToF в мобільних телефонах

Вимірювання та машинний зір

Інші програми – це вимірювання, наприклад, висоти заповнення силосів. У промисловому машинному зорі камера часу прольоту допомагає класифікувати та знаходити об’єкти для використання роботами, наприклад предмети, що проходять повз конвеєром. Елементи керування дверима можуть легко розрізнити тварин і людей, які дотягуються до дверей.

Робототехніка

Ще одне застосування цих камер – це сфера робототехніки: мобільні роботи можуть дуже швидко створити карту свого оточення, дозволяючи їм уникати перешкод або слідувати за людиною, яка веде. Оскільки обчислення відстані просте, використовується лише невелика обчислювальна потужність. Оскільки ці камери також можна використовувати для вимірювання відстані, відомо, що команди для FIRST Robotics Competition використовують пристрої для автономних процедур.

Топографія Землі

ToF камерибули використані для отримання цифрових моделей рельєфу земної поверхні для досліджень у геоморфології.

Застосування камер ToF в геоморфології