Čo je to senzor času letu a ako funguje ToF?

Ako sa smartfóny stávajú vyspelejšími, obsahujú aj čoraz väčšie množstvo senzorov, ktoré odosielajú údaje späť do zariadenia, aby sa zlepšila používateľská skúsenosť.

Moderné smartfóny majú na displeji snímače odtlačkov prstov, LiDAR, lepšie a väčšie snímače fotoaparátu ako kedykoľvek predtým a na niektorých zariadeniach dokonca aj snímače času letu (ToF). Ale zo všetkých rôznych senzorov, ktoré uvidíte na svojom telefóne, vyčnieva senzor ToF, najmä preto, že veľmi konkrétnym a nepozorovaným spôsobom ovplyvňuje veci, ktoré robíme na našich smartfónoch.

Čo je to senzor času letu (ToF)?

Senzor času letu (ToF), nazývaný aj kamera ToF, je špecializovaný senzor, ktorý meria hĺbka alebo vzdialenosť k objektu vyžarovaním infračerveného lúča svetla a meraním času sa vracia. Odtiaľ pochádza názov Time of Flight.

Je to veľmi podobné kamerám LiDAR, ktoré sa nachádzajú v zostave iPhone Pro a dokonca aj na niektorých systémoch detekcie tváre smartfónov (vrátane iPhone), kde zariadenie vytvorí infračervenú mapu tváre majiteľa a použije ju ako referenciu voči osobe, ktorú vidí, aby určil, či má zariadenie odomknúť alebo nie. To znamená,

Senzory ToF a LiDAR majú svoje rozdiely.

Použitie odrazeného svetla (alebo zvuku) na meranie vzdialenosti tiež nie je novým nápadom. Podobné zariadenia, ako sú ultrazvukové a IR senzory, existujú už oveľa dlhšie a poskytujú v podstate rovnakú funkčnosť, aj keď s oveľa menšími detailmi. Medzi výhody snímača ToF patria presné a rýchle merania, dlhší dosah a bezpečnosť používania.

V porovnaní s inými technológiami merania hĺbky 3D sú snímače ToF relatívne lacné na výrobu a použitie. Tiež nevyžadujú veľký výpočtový výkon, vďaka čomu sú ideálne pre prípady použitia, ako sú smartfóny, kde poznanie hĺbky konkrétneho objektu môže pomôcť uľahčiť funkcie ako režim na výškua výpočtový výkon je na prvom mieste.

Senzory ToF vyrábajú rôzni výrobcovia, vrátane Sony, ktoré poskytuje Apple 3D senzory využívajúce technológiu ToF. Ďalší populárni výrobcovia snímačov ToF zahŕňajú TeraRanger One, Lucid, Adafruit a ASC TigerCub.

Ako funguje snímač času letu (ToF)?

Ako už bolo spomenuté, snímače ToF používajú infračervené svetlo na meranie vzdialenosti objektu od snímača. Malý infračervený laser vyžaruje svetlo, ktoré sa odráža od objektu a vracia sa späť k senzoru. Senzor dokáže presne zmerať vzdialenosť objektu meraním času, za ktorý sa svetlo odrazilo späť a vrátilo sa do fotoaparátu.

Pretože už poznáme rýchlosť svetla a skutočnosť, že prejde presne dvojnásobnú vzdialenosť medzi snímačom a objektom je jednoduché určiť vzdialenosť pomocou základného vzorec:

(Rýchlosť svetla x Čas letu)/2

Niektoré kamery ToF môžu tiež používať nepretržité vlny na detekciu fázových posunov v odrazenom svetle na určenie hĺbky aj vzdialenosti. Opäť platí, že v závislosti od typu snímača, ktorý používate, možno budete môcť získať veľa informácií. To sa dá použiť na vytváranie 3D máp okolia senzora.

Kde sa používajú snímače ToF?

Ako už bolo spomenuté, senzory ToF sa používali v mnohých smartfónoch ako „hĺbkový“ fotoaparát, ktorý pomáhal hlavnému fotoaparátu zariadenia pri vytváraní kvalitnejších fotografií v režime na výšku. Cieľom týchto fotografií je vytvoriť malú hĺbku ostrosti, aby sa replikovala šošovka fotoaparátu. Keďže poznať hĺbku rôznych objektov na takýchto fotografiách je rozhodujúce pre správne rozmazanie pozadia, fotoaparáty a senzory ToF môžu urobiť veľký rozdiel.

Okrem toho sa kamery ToF používajú aj pri biometrickej autentifikácii, kde zariadenie s kamerou ToF dokáže vytvoriť 3D mapu tváre, ktorá sa použije ako referencia na odomknutie zariadenia. V podstate takto technológia odomykania tvárou funguje, vrátane Apple Face ID. Je to tiež bezpečnejšie ako len porovnávanie dvoch obrázkov na určenie zhody, pretože v porovnaní s tradičnými počítačového videnia algoritmy, ktoré pracujú s 2D dátami.

Bežne sa používajú v elektrických autách a iných navigačných systémoch vďaka ich schopnostiam detekcie objektov a vysokej frekvencii dotazovania, ktorá môže byť na niektorých senzoroch takmer 160 Hz. Vďaka tomu sú ideálne pre aplikácie v reálnom čase, ako je detekcia objektov, navigácia a dokonca aj rozmazanie pozadia pri vašich hovoroch zoom.

Táto schopnosť rozlišovať medzi objektom a pozadím sa často používa aj pri 3D tlači. Kamery ToF môžu ľahko replikovať skutočný objekt vo všetkých troch rozmeroch, čo vám ušetrí problémy s jeho navrhovaním od začiatku, najmä ak ide o zložitú štruktúru.

Senzory ToF tiež pomáhajú pri 3D zobrazovaní a zlepšovaní zážitkov AR okrem skenovania objektov, navigácie gestami a vnútornej navigácie.

Senzory ToF nájdete na Xbox Kinect od Microsoftu a ďalších projekty na rozpoznávanie gest, drony a AR náhlavné súpravy. Celkovo ich všestrannosť znamená, že ich prípady použitia siahajú od akejkoľvek sady fotoaparátov smartfónov až po navigačný systém autonómneho auta.

Potrebujete kameru ToF na svojom telefóne?

Nie naozaj.

Výpočtová fotografia prešla dlhú cestu a väčšina moderných smartfónov má dostatočne dobrý softvér na úplné oddelenie objektu od pozadia pomocou softvéru. Navyše, pokiaľ ide o fotografovanie smartfónom, počet megapixelov a veľkosť snímača fotoaparátu môžu spôsobiť oveľa väčší rozdiel.

Hoci boli časy, keď boli ToF kamery bežne viditeľné na vlajkových smartfónoch, teraz sa väčšinou nachádzajú na zariadenia strednej triedy alebo na zostave iPhone Pro vo forme senzorov LiDAR, koncept, ktorý funguje na Time of Flight princíp.

Mať ToF fotoaparát v telefóne sa však môže občas hodiť, najmä pokiaľ ide o biometrické overenie. Môže tiež poskytnúť pomôcku na meranie vzdialenosti zabudovanú do vášho telefónu a poskytnúť viac údajov o hĺbke výpočtový fotografický softvér spustený na vašom telefóne, výsledkom čoho je ešte lepší režim na výšku zábery.

Poznajte svoje senzory

Smartfóny sú preplnené čoraz väčším počtom senzorov, vďaka ktorým bude váš zážitok oveľa lepší. Kamera ToF je len ďalším z tých senzorov na vašom telefóne, ktoré sa nedajú použiť priamo, ale môžu výrazne zmeniť niekoľko ďalších funkcií.