I. Máy ảnh đo thời gian bay là gì?

Camera đo thời gian bay (ToF) là một loại công nghệ cảm biến độ sâu, đo khoảng cách giữa camera và các vật thể trong khung hình bằng cách sử dụng thời gian ánh sáng truyền đến vật thể và quay trở lại camera. Chúng thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau như thực tế tăng cường, robot, quét 3D, nhận dạng cử chỉ, v.v.

Máy ảnh ToFThiết bị hoạt động bằng cách phát ra tín hiệu ánh sáng, thường là ánh sáng hồng ngoại, và đo thời gian tín hiệu phản xạ trở lại sau khi chạm vào các vật thể trong khung cảnh. Thời gian đo được này sau đó được sử dụng để tính toán khoảng cách đến các vật thể, tạo ra bản đồ độ sâu hoặc hình ảnh 3D của khung cảnh.

Máy ảnh đo thời gian bay

So với các công nghệ cảm biến độ sâu khác như ánh sáng cấu trúc hay thị giác lập thể, camera ToF mang lại một số ưu điểm. Chúng cung cấp thông tin độ sâu theo thời gian thực, có thiết kế tương đối đơn giản và có thể hoạt động trong nhiều điều kiện ánh sáng khác nhau. Camera ToF cũng nhỏ gọn và có thể được tích hợp vào các thiết bị nhỏ hơn như điện thoại thông minh, máy tính bảng và thiết bị đeo được.

Ứng dụng của camera ToF rất đa dạng. Trong thực tế tăng cường, camera ToF có thể phát hiện chính xác độ sâu của vật thể và cải thiện tính chân thực của các vật thể ảo được đặt trong thế giới thực. Trong robot học, chúng cho phép robot nhận biết môi trường xung quanh và vượt qua chướng ngại vật hiệu quả hơn. Trong quét 3D, camera ToF có thể nhanh chóng thu thập hình dạng hình học của vật thể hoặc môi trường cho nhiều mục đích khác nhau như thực tế ảo, trò chơi hoặc in 3D. Chúng cũng được sử dụng trong các ứng dụng sinh trắc học, chẳng hạn như nhận dạng khuôn mặt hoặc nhận dạng cử chỉ tay.

二、Các thành phần của máy ảnh đo thời gian bay

Máy ảnh đo thời gian bay (ToF)Hệ thống camera ToF bao gồm một số thành phần chính hoạt động cùng nhau để cho phép cảm biến độ sâu và đo khoảng cách. Các thành phần cụ thể có thể khác nhau tùy thuộc vào thiết kế và nhà sản xuất, nhưng đây là các yếu tố cơ bản thường thấy trong hệ thống camera ToF:

Nguồn sáng:

Camera ToF sử dụng nguồn sáng để phát ra tín hiệu ánh sáng, thường là ánh sáng hồng ngoại (IR). Nguồn sáng có thể là đèn LED (Điốt phát quang) hoặc điốt laser, tùy thuộc vào thiết kế của camera. Ánh sáng phát ra sẽ di chuyển về phía các vật thể trong khung hình.

Quang học:

Một thấu kính thu thập ánh sáng phản xạ và tạo ảnh môi trường xung quanh lên cảm biến hình ảnh (mảng mặt phẳng tiêu cự). Một bộ lọc dải tần quang học chỉ cho phép ánh sáng có cùng bước sóng với bộ phận chiếu sáng đi qua. Điều này giúp loại bỏ ánh sáng không cần thiết và giảm nhiễu.

Cảm biến hình ảnh:

Đây là trái tim của camera TOF. Mỗi pixel đo thời gian ánh sáng truyền từ bộ phận chiếu sáng (tia laser hoặc đèn LED) đến vật thể và quay trở lại mảng cảm biến mặt phẳng tiêu cự.

Mạch định thời:

Để đo thời gian bay chính xác, máy ảnh cần mạch định thời chính xác. Mạch này điều khiển việc phát ra tín hiệu ánh sáng và phát hiện thời gian ánh sáng truyền đến vật thể và quay trở lại máy ảnh. Nó đồng bộ hóa quá trình phát xạ và thu nhận để đảm bảo đo khoảng cách chính xác.

Điều biến:

Một sốMáy ảnh ToFCác camera này tích hợp các kỹ thuật điều biến để cải thiện độ chính xác và độ ổn định của phép đo khoảng cách. Chúng điều biến tín hiệu ánh sáng phát ra theo một mẫu hoặc tần số cụ thể. Sự điều biến giúp phân biệt ánh sáng phát ra với các nguồn sáng môi trường khác và tăng cường khả năng phân biệt giữa các vật thể khác nhau trong khung cảnh của camera.

Thuật toán tính toán độ sâu:

Để chuyển đổi các phép đo thời gian bay (ToF) thành thông tin độ sâu, camera ToF sử dụng các thuật toán phức tạp. Các thuật toán này phân tích dữ liệu thời gian nhận được từ bộ phận cảm biến quang và tính toán khoảng cách giữa camera và các vật thể trong khung cảnh. Các thuật toán tính toán độ sâu thường bao gồm việc bù trừ cho các yếu tố như tốc độ truyền ánh sáng, thời gian phản hồi của cảm biến và nhiễu ánh sáng môi trường.

Dữ liệu độ sâu đầu ra:

Sau khi tính toán độ sâu, camera ToF sẽ cung cấp dữ liệu độ sâu. Dữ liệu này có thể ở dạng bản đồ độ sâu, đám mây điểm hoặc hình ảnh 3D của khung cảnh. Dữ liệu độ sâu có thể được sử dụng bởi các ứng dụng và hệ thống để hỗ trợ nhiều chức năng khác nhau như theo dõi đối tượng, thực tế tăng cường hoặc điều hướng robot.

Điều quan trọng cần lưu ý là cách thức triển khai và các thành phần cụ thể của camera ToF có thể khác nhau giữa các nhà sản xuất và mẫu mã. Những tiến bộ trong công nghệ có thể mang đến các tính năng và cải tiến bổ sung để nâng cao hiệu suất và khả năng của hệ thống camera ToF.

三、Ứng dụng

Ứng dụng trong ngành ô tô

Máy ảnh đo thời gian bayChúng được sử dụng trong các chức năng hỗ trợ và an toàn cho các ứng dụng ô tô tiên tiến như an toàn chủ động cho người đi bộ, phát hiện va chạm sớm và các ứng dụng trong nhà như phát hiện vị trí sai (OOP).

Ứng dụng của camera ToF

Giao diện người-máy và trò chơi

As máy ảnh đo thời gian bayCung cấp hình ảnh khoảng cách theo thời gian thực, việc theo dõi chuyển động của con người trở nên dễ dàng hơn. Điều này cho phép tương tác mới với các thiết bị tiêu dùng như tivi. Một chủ đề khác là sử dụng loại camera này để tương tác với các trò chơi trên máy chơi game. Cảm biến Kinect thế hệ thứ hai, ban đầu được tích hợp trong máy chơi game Xbox One, sử dụng camera đo khoảng cách (time-of-flight camera) để chụp ảnh khoảng cách, cho phép giao diện người dùng tự nhiên và các ứng dụng trò chơi sử dụng kỹ thuật nhận dạng cử chỉ và thị giác máy tính.

Creative và Intel cũng cung cấp một loại camera đo khoảng cách bằng cử chỉ tương tác tương tự dành cho chơi game, đó là Senz3D dựa trên camera DepthSense 325 của Softkinetic. Infineon và PMD Technologies cho phép tích hợp các camera đo độ sâu 3D siêu nhỏ để điều khiển bằng cử chỉ ở cự ly gần các thiết bị tiêu dùng như máy tính để bàn và máy tính xách tay (camera Picco flexx và Picco monstar).

Ứng dụng camera ToF trong trò chơi

Camera điện thoại thông minh

Một số điện thoại thông minh tích hợp camera đo khoảng cách bằng tia laser (time-of-flight). Loại camera này chủ yếu được sử dụng để cải thiện chất lượng ảnh bằng cách cung cấp cho phần mềm camera thông tin về đối tượng và hậu cảnh. Chiếc điện thoại di động đầu tiên sử dụng công nghệ này là LG G3, ra mắt vào đầu năm 2014.

Ứng dụng camera ToF trong điện thoại di động

Đo lường và thị giác máy tính

Các ứng dụng khác bao gồm các nhiệm vụ đo lường, ví dụ như đo chiều cao vật chứa trong silo. Trong thị giác máy công nghiệp, camera đo khoảng cách bằng tia X giúp phân loại và định vị các vật thể để robot sử dụng, chẳng hạn như các vật phẩm di chuyển trên băng chuyền. Hệ thống điều khiển cửa có thể dễ dàng phân biệt giữa động vật và con người khi đến gần cửa.

Robot

Một ứng dụng khác của những camera này là trong lĩnh vực robot: Robot di động có thể nhanh chóng lập bản đồ môi trường xung quanh, cho phép chúng tránh chướng ngại vật hoặc đi theo người dẫn đường. Vì việc tính toán khoảng cách rất đơn giản, nên chỉ cần rất ít sức mạnh tính toán. Do những camera này cũng có thể được sử dụng để đo khoảng cách, các đội tham gia cuộc thi FIRST Robotics Competition đã từng sử dụng các thiết bị này cho các hoạt động tự động.

Địa hình Trái đất

Máy ảnh ToFđã được sử dụng để thu được các mô hình độ cao kỹ thuật số của địa hình bề mặt Trái đất, phục vụ cho các nghiên cứu về địa mạo học.

Ứng dụng camera ToF trong địa mạo học