YaChudo

Time-of-flight камера

Переглядів: 0. Оновлено 10.10.2026.

Time-of-flight камера (англ. Time-of-flight camera (ToF camera)) — відеокамера, що формує так зване дальнісне зображення. Такі відеокамери використовуються для формування двовимірного зображення, пікселями якого є відстані від екрана до конкретних точок спостереження[1].

Технології

Принцип дії ToF-камери (імпульсний і фазовий методи виміру дальності)
Дальностний портрет, отриманий з ToF-камери для контролю доступу
3D ToF-картина для доповненої реальності

Розрахунок глибини і відстані забезпечується за допомогою технології вимірювання "часу польоту" (ToF), що подібна до алгоритмів, які використовуються в радарах. Завдяки цьому формується дальностне зображення, яке схоже на зображення радіолокатора, за винятком того, що для його побудови задіяно світловий імпульс замість радіочастотної хвилі.

Радіочастотна модуляція світла

Випромінювачі ToF камер можуть бути реалізловані на основі світлодіодів або лазерів.

Для визначення дальності може використовуватися фазовий метод дальнометрії [2][3], який базується на радіочастотній модуляції випромінюваного світлового потоку і визначенні фазових розбіжностей між ним і світловими сигналами, відбитими від просторово розподілених об'єктів.

Імпульсна лазерна технологія

ToF-лазерна камера із ПЗЗ-камерою з високою чутливістю і з швидким стробуванням дозволяє оцінювати глибину із субміліметровою роздільною здатністю (точністю). За допомогою цієї техніки короткий лазерний імпульс освітлює сцену, а надчутлива ПЗЗ-камера відкриває свій швидкий затвор лише на кілька сотень пікосекунд. Тривимірна сцена обчислюється із послідовності двовимірних зображень, що реєструються при збільшенні затримки між імпульсом лазера і відкриттям затвора.[4]

Будова системи

Типова ToF-камера складається з джерела активного освітлення, оптики, сенсора зображення та блока обробки. Джерелом слугують світлодіоди або лазерні діоди, найчастіше в ближньому інфрачервоному діапазоні, щоб підсвічування не заважало спостерігачеві. У фазових системах інтенсивність випромінювання модулюють, а сенсор синхронно вимірює фазовий зсув відбитого сигналу. В імпульсних системах визначають затримку між випромінюванням короткого світлового імпульсу та реєстрацією його відбиття.[5]

Об’єктив збирає відбите світло та формує зображення на масиві фотодетекторів. Оптичний смуговий фільтр пропускає переважно довжини хвиль підсвічування й послаблює частину фонового світла. Кожен піксель сенсора оцінює не лише інтенсивність, а й параметр, з якого обчислюють відстань; тому за один кадр утворюється двовимірна карта глибини. Керувальна електроніка синхронізує випромінювач і сенсор, перетворює виміряний час або фазу на відстань та виконує початкову корекцію даних.[6]

Джерела похибок

Точність ToF-камери залежить від властивостей сцени, зовнішнього освітлення та характеристик самого сенсора. Яскраве сонячне або штучне світло зменшує відношення сигналу до шуму, оскільки на детектор разом із модульованим сигналом потрапляє фонове випромінювання. Темні поверхні повертають мало світла, тоді як блискучі поверхні можуть створювати нестійкі відбиття. На межі двох об’єктів один піксель іноді приймає суміш сигналів із різних відстаней, через що виникає проміжне, фізично неправильне значення глибини.[6]

Ще одним джерелом похибки є багатопроменеве поширення: світло може відбитися від кількох поверхонь і дістатися пікселя шляхами різної довжини. Камера тоді реєструє сумарний сигнал і може визначити відстань неправильно, особливо в кутах приміщень та біля дзеркальних об’єктів.[7] У фазових системах неоднозначність також виникає, коли виміряна відстань перевищує інтервал, однозначно заданий частотою модуляції. Для послаблення цих ефектів застосовують калібрування, кілька частот модуляції, фільтрацію та алгоритми відокремлення прямого відбиття від непрямих складових.[5]

Застосування

Ідентифікація обличчя

Основний поштовх застосуванню ToF камер надав розвиток смартфонів. Одним з перших прикладів практичного використання стала реалізація на їх основі технології розпізнавання обличчя Face ID в смартфоні IPhone X[1] .

3D сканування

Поліпшення характеристик ToF камер смартфонів дозволяє розширити їх використання на сферу 3D-сканування об'єктів[1], наприклад, з метою їхнього подальшого 3D-друку, а також 3D-проектування інтер'єрів, військового екіпірування[8], підбору одягу, взуття тощо.

Доповнена реальність

ToF камери у смартфонах дозволяють підняти на новий рівень застосування технології доповненої реальності на основі прецизійної локалізації оточуючої 3D-сцени[1].

Див. також

Примітки

  1. ↑ а б в г Что такое ToF камера и зачем она нужна смартфону [1] [Архівовано 2019-09-19 у Wayback Machine.]
  2. ↑ Слюсар В.І., Зінченко А.О. Фазовий метод виміру відстані в MIMO-системах радіолокації та зв’язку. // VI-й науково-практичний семінар “Пріоритетні напрямки розвитку телекомунікаційних систем та мереж спеціального призначення” (20 жовтня 2011 р., доповіді та тези доповідей). – Київ: ВІТІ НТУУ "КПІ", 2011. - C. 180 [2] [Архівовано 17 липня 2019 у Wayback Machine.]
  3. ↑ Слюсар В.І., Зинченко А.О. Визначення відстаней в MIMO-системах зв’язку та радіолокації на основі фазових вимірів.// Сучасні інформаційні технології у сфері безпеки та оборони. НАОУ.- 2012. - № 2(14). – С. 26 - 30 [3] [Архівовано 17 липня 2019 у Wayback Machine.]
  4. ↑ High accuracy 3D laser radar [Архівовано 21 лютого 2015 у Wayback Machine.] Jens Busck and Henning Heiselberg, Danmarks Tekniske University, 2004
  5. ↑ а б Horaud, Radu; Hansard, Miles; Evangelidis, Georgios; Ménier, Clément (2016). An Overview of Depth Cameras and Range Scanners Based on Time-of-Flight Technologies. Machine Vision and Applications (англ.). 27 (7): 1005—1020. doi:10.1007/s00138-016-0784-4.
  6. ↑ а б Hansard, Miles; Lee, Seungkyu; Choi, Ouk; Horaud, Radu (2012). Time-of-Flight Cameras: Principles, Methods and Applications (PDF). SpringerBriefs in Computer Science (англ.). Springer. doi:10.1007/978-1-4471-4658-2. ISBN 978-1-4471-4657-5.
  7. ↑ Dorrington, Adrian A.; Godbaz, John P.; Cree, Michael J.; Payne, Andrew D.; Streeter, Lee V. (2011). Separating True Range Measurements from Multi-path and Scattering Interference in Commercial Range Cameras. Three-Dimensional Imaging, Interaction, and Measurement (англ.). doi:10.1117/12.876586.
  8. ↑ Слюсар, В.І. (2017). Результати засідання Робочої групи НАТО з навантаження солдата (Embarked Soldier Working Group, ESWG) (PDF). Озброєння та військова техніка. -№2(14). – 2017. с. 90 – 93. Архів оригіналу (PDF) за 3 березня 2019. Процитовано 8 вересня 2019.

Джерела

Джерело: стаття у Вікіпедії та історія редагувань (автори).