دوربین ToF یا مدت پرواز چیست؟

دوربین مدت پرواز، دوربین ToF یا حسگر ToF (به انگلیسی: Time-of-flight camera)، یک حسگر عمق است که پالسی از نور فرو سرخ را به سمت صحنه ارسال می‌کند تا فاصله‌ی دوربین را از هر پیکسلی که درون محدوده قرار گرفته است بسنجند. دوربین ToF این کار را با استفاده از سنجش مدت زمانی انجام می‌دهد که طول می‌کشد تا بازتاب نور فرو سرخ به دوربین برسد. با استفاده از سرعت ثابت نور می‌توان با محاسبات ساده‌ای این فاصله را سنجید.

مدت پرواز یک مفهوم کلی است که در زمینه‌های مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرد و فقط مختص سرعت نور نیست. برای مثال مدت پرواز امواج فرا صوت در واقعیت مجازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در گوشی‌های هوشمند از سیستم‌های ToF به عنوان دوربینی استفاده می‌شوند که داده‌های نقشه‌ی عمقی صحنه را در اختیار گوشی قرار می‌دهد، این کار شبیه عملکرد زد بافر در گرافیک کامپیوتری است.

نقشه‌ی عمق (تصویر خاکستری) تصویر پایین نمایشگر نوع داده‌هایی است که دوربین‌های ToF ارائه می‌دهند.

قواعد دوربین‌های فروسرخ مدت پرواز

قاعده‌ی بنیادین این دوربین نسبتاً ساده است: دوربین ToF به جای رنگ‌ها، فاصله را ثبت می‌کند. می‌توانید هر حسگر ToF را یک کرنومتر در نظر بگیرید. همه‌ی پیکسل‌ها با شروع تابش نور شمارش خود را آغاز می‌کنند (شروع پرواز).

هر کدام از این پیکسل‌ها با دریافت بازتاب به طور مستقل شمارش خود را متوقف می‌کنند (پایان پرواز). زمانی که طول می‌کشد تا نور تابانده شود و سپس بازتاب داشته باشد (شروع و پایان) «زمان پرواز» نام دارد، که منظور همان زمان پرواز نور است.

از آنجایی که فاصله‌ی اجسام مختلف از دوربین متفاوت است، هنگام بازتاب نور نیز تمام پیکسل‌های حسگر به طور همزمان به شمارش خود پایان نمی‌دهند. به این ترتیب فاصله‌ی اجسام از دوربین را می‌توان با ریاضیات ساده محاسبه کرد. پیاده‌سازی چنین سیستمی می‌تواند کمی پیچیده باشد، برای مثال ممکن است نور قبل از بازگشت به سنسور از چندین جسم بازتاب داشته باشد.

دوربین‌های مدت پرواز در مقابل دوربین‌های دوگانه‌ی سه‌بعدی استوریو

در گوشی‌های هوشمند، دوربین‌های ToF در حال جایگزینی سیستم‌های دوربین دوگانه‌ی عمقی هستند، گوشی‌هایی مانند آیفون ایکس اس و گلکسی اس 9 پلاس از دوربین‌های دوگانه‌ی عمقی استفاده می‌کنند. گوشی‌های هوآوی پی 30 پرو و آنر ویو 20، ال‌جی جی 8 و گلکسی اس 10 فایو جی از دوربین‌های ToF استفاده می‌کنند. انتظار می‌رود شرکت‌های دیگر نیز در نسل‌های جدیدتر گوشی‌های خود از این حسگرها استفاده کنند.

گرچه دوربین‌های ToF رزولوشن نسبتاً پایینی دارند (320×240 یا 640×480) اما عملکردشان از دوربین دوگانه‌ی عمقی بهتر است. حسگر مدت پرواز شیوه‌ی طبیعی‌تر و بهتری برای اندازه‌گیری عمق است.

این دوربین‌ها در گوشی‌های هوشمند تار شدگی خارج از فوکوس بهتری را ارائه می‌دهند، در واقعیت افزوده و واقعیت مجازی می‌توان از این دوربین‌ها استفاده کرد. این تکنولوژی‌ها توسط گوگل در Project Tango و همچنین هندست‌های لنوو مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

اخیراً شاهد استفاده از این تکنولوژی در گوشی‌های هوآوی پی 30 پرو و آنر ویو 20، ال‌جی جی 8 و گلکسی اس 10 فایو جی بوده‌ایم، این گوشی‌ها توانسته‌اند دوربین‌های ToF خود را در ساختاری فشرده‌تر عرضه کرده و از تأثیر منفی آن روی طراحی گوشی اجتناب کنند.

عکسبرداری استوریوی دوربین آرجی‌بی دوگانه برای تشخیص عمق تصویر استفاده می‌شود، این نوع از عکسبرداری بیشترین مصرف انرژی را دارد اما مزیت آن استفاده از دوربین آرجی‌بی است: دوربین اصلی و یک دوربین اولترا واید یا زوم، که هزینه‌ی کمتری نسبت به افزودن یک دوربین ToF دارد.

با این حال استفاده از دوربین اولترا واید برای عکسبرداری سه‌بعدی استوریو دقت عمق مرکز تصویر را کاهش می‌دهد و همچنین لنزهای زوم بیش از 80mm پهنای بسیار کمی را پوشش می‌دهند که ممکن است استفاده‌ی عملی خاصی در بوکه (تار کردن تصویر خارج از فوکوس) نداشته باشند.

دوربین ToF در نور مستقیم خورشید

عملکرد بسیاری از سیستم‌های حسگر نور در صورت وجود منابع قوی نور به طور جدی مختل می‌شود، نور خوشید می‌تواند تا حدود 100 هزار لوکس روشنایی داشته باشد و نور بیشتر نمایشگرهای لپ‌تاپ‌ها حدود 300 الی 500 لوکس روشنایی دارند.

برای جلوگیری از تداخل این نورها، برخی از حسگرهای مدت پرواز پالس نوری خود را با استفاده از مدولاسیون خاصی رمزنگاری می‌کنند (مثل یک کد باینری که برای نور استفاده شود). به این ترتیب سنسور دریافت‌کننده می‌تواند نور ورودی را پردازش و فیلتر کرده و از نور منابع پرقدرت صرف نظر کند، در غیر اینصورت نور چنین منابعی می‌توانند دقت اندازه‌گیری‌های حسگر را کاهش دهند.

دوربین‌های ToF گوشی‌های هوشمند به علت قدرت کم منبع نوری‌شان حیطه‌ی محدودی دارند. از آنجایی که حیطه مورد استفاده‌ی گوشی‌های هوشمند فقط چند متر است این محدودیت مشکلی برای گوشی‌های هوشمند ایجاد نمی‌کند.

انواع متفاوت مدت پرواز فروسرخ

گوشی‌های هوشمند حسگرهای ToF بر پایه‌ی دوربین دارند اما این تکنولوژی با استفاده از لیزر نیز پیاده‌سازی می‌شود. تفاوت بزرگ این دو سیستم این است که دوربین مدت پرواز، نور را در تمام جهت‌ها‌ (به صورت یک نیم‌کره) می‌تاباند.

سیستم‌های مدت پرواز لیزری از جمله لیدار، اشعه‌ی لیزر را در یک خط مستقیم می‌فرستند که می‌تواند فاصله‌ی بسیار بیشتری را پوشش دهد و اگر این لیزر به اندازه‌ی کافی قدرتمند باشد این حیطه تا چندین کیلومتر نیز افزایش پیدا می‌کند. این سیستم‌ها صحنه را به صورت نقطه به نقطه و با سرعت بسیار بالا بررسی می‌کنند تا داده‌های کافی را در اختیار داشته باشند. سیستم‌هایی که به سبک لیدار کار می‌کنند به جای ایجاد نقشه‌ی عمق، یک ابر نقطه‌ای ایجاد می‌کنند که سپس می‌توان با استفاده از آن و انجام محاسبات اضافی یک نقشه‌ی عمق ایجاد کرد.

مدت پرواز در مقابل نور ساختار یافته

افراد معمولاً دو مفهوم مدت پرواز و نور ساختار یافته را با یکدیگر اشتباه می‌گیرند، تکنولوژی نور ساختار یافته در دستگاه‌هایی مانند کینکت 1 و قابلیت فیس آی‌دی آیفون ایکس استفاده می‌شود. گرچه می‌توان داده‌های دریافتی از نور ساختار یافته را به نقشه‌ی عمق تبدیل کرد اما این کار آنقدرها هم دقیق نیست.

تکنولوژی نور ساختار یافته الگویی را به سطح مورد نظر می‌تاباند تا برآمدگی‌ها و فرورفتگی‌ها و لبه‌ها را تشخیص دهد. سپس می‌توان فاصله را با استفاده از الگوی اصلی تشخیص داد. این دو مورد تفاوت زیادی با یکدیگر دارند. نور ساختار یافته را می‌توانید در ویدیوی زیر مشاهده کنید.

برای مقایسه‌ی این دو تکنولوژی می‌توانیم به کینکت 1 (نور ساختار یافته) و کینکت 2 (مدت پرواز) نگاه کنیم. کینکت 2 به طرز چشمگیری رزولوشن و دقت این سیستم را افزایش داده است. برای استفاده در عکسبرداری نیز حسگرهای مدت پرواز به محاسبه‌ی بسیار کمتری نسبت به نور ساختار یافته، لیدار یا آرجی‌بی دوگانه نیاز دارند به همین دلیل هم انتخاب کم مصرف و خوبی برای گوشی‌های هوشمند هستند.

منشأ پیدایش دوربین‌های مدت پرواز

اولین استفاده از حسگرهای ToF در مهندسی عمران بود تا بتوان با دقت و سرعت بیشتری اندازه‌گیری‌ها را انجام داد. اگر با استفاده از این تکنولوژی سطح زمین را از ارتفاع زیاد یا حتی فضا بسنجیم، می‌توانیم نقشه‌ی عمق بسیار دقیقی داشته باشیم.

با کوچک شدن تجهیزات این تکنولوژی، حسگر مدت پرواز توانست راه خود را به اتومبیل‌های خودران و حالا گوشی‌های هوشمند باز کند. دوربین‌های ToF موضوع بسیار وسیعی هستند و موارد بسیار بیشتری وجود دارد که می‌توانید درباره‌ی این دوربین‌ها بیاموزید اما تا جایی که به گوشی‌های هوشمند مربوط می‌شود با همین مقاله هم می‌توانید اطلاعات کافی را درباره‌ی مزایا و معایب این دوربین‌ها در اختیار داشته باشید.