دوربین مدت پرواز که با نام دوربین ToF یا سنسور ToF هم شناخته می‌شود، یک حسگر عمق است که با ارسال پالس نور مادون قرمز به صحنه، فاصله هر پیکسل موجود در محدوده دیدش را اندازه‌گیری می‌کند. این فاصله به مدت زمانی بستگی دارد که انعکاس نور مادون قرمز به دوربین برمی‌گردد. با استفاده از سرعت ثابت نور و یک حساب کتاب ساده ریاضی می‌توان فاصله را محاسبه کرد.

مدت پرواز مفهومی کلی است که در بسیاری از زمینه‌ها کاربرد دارد و به استفاده از سرعت نور محدود نیست. برای مثال، در واقعیت مجازی (VR) یک Ultrasound ToF یا ToF مافوق صوت وجود دارد. در گوشی‌های هوشمند، سیستم‌های ToF به دوربین می‌پردازند که داده‌های نقشه عمق (Depth-Map) را تولید می‌کنند و عملکرد آن‌ها شبیه زدبافر (Z-Buffer) در گرافیک کامپیوتر است و الگوریتمی است که عمق تصویر در گرافیک سه‌بعدی را مدیریت می‌کند.

نقشه عمق (تصویر خاکستری سمت راست) که در عکس پایین نشان داده شده است انواع اطلاعاتی را که از یک دوربین ToF می‌خواهیم، در اختیار ما قرار می‌دهد.

اساس عملکرد مادون قرمز در ToF

اساس این فناوری نسبتا ساده است: یک دوربین ToF به جای رنگ‌ها، فاصله را ضبط می‌کند. می‌توانید هر پیکسل سنسور ToF را به عنوان یک کرنومتر (Stopwatch) در نظر بگیرید. وقتی نور از سنسور (شروع پرواز) منتشر می‌شود، تمام پیکسل‌ها به طور همزمان شروع به شمارش می‌کنند.

با این حال، آن‌ها کرنومتر را به طور جداگانه متوقف می‌کنند، چون سیگنال‌ها با کمی فاصله زمانی از یکدیگر بازتاب می‌شوند (پایان پرواز). زمانی که طول می‌کشد نور منتشر و بعد منعکس شود (فاصله بین شروع و پایان پرواز) با نام «زمان پرواز» (نور) شناخته می‌شود.

از آنجایی که فاصله بین اشیای مختلف که نور را منعکس می‌کنند با هم متفاوت است، پیکسل‌های سنسور همه به یکباره متوقف نمی‌شوند. با ریاضیات ابتدایی هم می‌توان از داده‌های دریافتی استفاده و فاصله را محاسبه کرد. از آنجایی که ممکن است از شی مورد نظر چند بازتاب دریافت کنیم، پیاده‌سازی این روش می تواند کمی پیچیده باشد. بازتاب چندگانه زمانی اتفاق میفتد که نور پیش از رسیدن به سنسور، روی بیش از یک شی بازتاب کند.

دوربین‌های ToF در مقابل Stereo 3D Dual-Cameras

در گوشی‌های هوشمند، دوربین‌های ToF در حال جایگزین شدن با سیستم‌های سنجش عمق دوربین‌های دوگانه هستند و اخیرا در سیستم‌های دوربین گوشی‌هایی مثل iPhone XS و +Galaxy S9 دیده می‌شوند و اطلاعات دقیق‌تری از عمق در اختیار ما قرار می‌دهند.

اگرچه دوربین‌های ToF وضوح نسبتا پایینی دارند (240×320 تا 480×640)، اما از حسگرهای عمق در دوربین‌های دوگانه بهتر عمل می‌کنند. مدت پرواز اصولا بهتر است و راهی منطقی‌تر و طبیعی‌تر برای اندازه‌گیری عمق ارایه می‌دهد.

اپلیکیشن‌های گوشی‌های هوشمند، برنامه‌هایی برای بوکه کردن عکس با وضوح بالا (به جز فوکوس Blur) یا واقعیت افزوده (AR) مثل ردیاب‌های هدست واقعیت مجازی هستند. این فناوری در دستگاه‌های بزرگ با Project Tango گوگل معرفی و حتی توسط لنوو (Lenovo) در یک گوشی پیاده شد.

اما اخیرا تلفن‌هایی مثل Honor View 20 ،Huawei P30 Pro و Galaxy S10 5G، دوربین‌های ToF فشرده‌تری را طراحی و تولید کردند که تاثیر قابل توجهی در طراحی و ردپای این فناوری به جا نمی‌گذارد.

دوربین‌های Dual-RGB استریو، سنجش عمق را انجام می‌دهند، اما مزیت‌های دو دوربین RGB را دارند که هدف واقعی عکاسی است: دوربین اصلی و یک دوربین برای زوم یا عکاسی با لنز Ultrawide برای ثبت تصاویر عریض‌تر. به همین دلیل، این دوربین‌ها از ToF خیلی ارزان‌تر هستند و شاید برای تولید‌کننده‌ها این گزینه بهتر باشد.

با این حال، استفاده از دوربین Ultrawide برای ضبط استریوی سه‌بعدی، دقت عمق در مرکز را کاهش می‌دهد، در حالی که لنزهای زوم با فاصله فوکوس بالاتر از ۸۰ میلی‌متر ممکن است دارای میدان دیدی باشند که برای عملکرد درست بوکه بیش از حد باریک است.

ToF در نور مستقیم

بسیاری از سیستم‌های سنجش نور با تداخل جدی منبع‌های نوری پرقدرت مثل خورشید مواجه می‌شوند که می‌تواند حدود صدهزار لوکس (LUX) روشنایی داشته باشد.

برای اینکه تا حد امکان از این تداخل جلوگیری شود، بعضی از سنسورهای مدت پرواز، هنگام انتشار نور، پالس‌های نوری را با فرکانس خاصی رمز‌گذاری می‌کنند (این کدها مثل کدهای دوتایی برنامه‌نویسی هستند، اما این‌بار برای نور به کار می‌روند). سپس سنسور گیرنده می‌تواند نور ورودی را پردازش یا فیلتر و منابع نوری پرقدرت را حذف کند؛ در غیر اینصورت دقت اندازه‌گیری کاهش پیدا می‌کند.

دوربین‌های ToF در گوشی‌های هوشمند، به خاطر قدرت نسبتا کم منبع نور، طیف محدودی دارند. معمولا این قدرت برای گرفتن عکس‌های بوکه بیش از حد کافی است، چون معمولا برای گرفتن عکس‌های پرتره و بوکه فاصله کافی است چند متر باشد.

انواع مادون قرمز ToF

گوشی‌های هوشمند، سنسورهای ToF مبتنی بر دوربین دارند، اما موارد استفاده دیگری هم از این فناوری وجود دارد که از لیزر استفاده می‌کنند. تفاوت بزرگ بین این دو این است که دوربین ToF نورافکنی دارد که نور را در همه جهات (نیم‌کره) منتشر می‌کند.

سیستم‌های ToF مبتنی بر لیزر، مانند Lidars (تشخیص و طیف‌بندی نور)، نور لیزر را فقط در یک جهت پخش می‌کند، اما اگر لیزر به اندازه کافی قدرتمند باشد، گاهی اوقات می‌تواند نور را در فواصل دورتر و حتی تا چند کیلومتر بفرستد. این سیستم‌ها صحنه را نقطه به نقطه و با سرعت بسیار زیادی اسکن می‌کند تا اطلاعات کافی را در اختیار کاربر قرار بدهند.

ToF در مقابل نور ساختاریافته (Structured Light)

افراد غالبا مدت پرواز (ToF) را با Structured Light اشتباه می‌گیرند. فناوری Structured Light،‌ نوعی فناوری است که موتور اصلی و ایده Kinect و فیس‌آیدی iPhone X از آن است. اگرچه می‌توان داده‌های نور ساخت‌یافته را به یک نقشه عمق تبدیل کرد، اما دقیق‌ترین راه برای انجام این کار نیست.

فناوری Structured Light شامل ایجاد الگویی روی یک سطح است تا بتواند پستی بلندی‌های سطح را اندازه‌گیری و مشخص کند. به این ترتیب فاصله را می‌توان با استفاده از تکنیک مثلث‌سازی (Triangulation) از الگوی اصلی محاسبه کرد.

برای مقایسه عملکرد دو فناوری، می‌توان به Kinect 1 (نور ساخت‌یافته) و Kinect 2 (ToF) نگاه کرد. بدیهی است که در Kinect 2 با وجود حاشیه عریض، دقت و وضوح سیستم افزایش یافته است. برای کاربردهای عکاسی، سنسورهای ToF داده‌های عمقی را ارایه می‌کند که در مقایسه با نور ساخت‌یافته، دوربین‌های Dual-RGB یا Lidar، به پردازش داده‌های بسیار کمتری نیاز دارند؛‌ بنابراین با توجه به پردازش‌های کمتر، مصرف باتری هم کمتر است و به همین دلیل این فناوری برای گوشی‌های هوشمند انتخاب بسیار مناسبی است.

خاستگاه دوربین‌های ToF

سنجش عمق ToF در ابتدا در مهندسی عمران به عنوان روشی برای اندازه‌گیری با سرعت و دقت بالاتر به کار گرفته شد. اگر از هوا یا حتی از فضا استفاده شود، فناوری ToF می‌تواند هر سطحی را با جزئیات بسیار دقیق نقشه‌برداری کند.

با مینیاتوری شدن و کاهش چشمگیر ابعاد و ابزار مورد استفاده برای این فناوری، مدت پرواز یا ToF راه خود را به وسایل نقلیه خودران و در حال حاضر گوشی‌های هوشمند باز کرده است. دوربین‌های ToF موضوعی بسیار گسترده هستند و هنوز مطالب زیادی برای آموختن باقی مانده است، اما تا آنجا که به گوشی‌های هوشمند مربوط می‌شود، باید بعد از خواندن این مقاله دانش نسبتا خوبی درباره هدف این فناوری و همینطور مزایا و معایب آن کسب کرده باشید.

منبعUbergizmo
فارغ‌التحصیل کارشناسی ارشد آموزش زبان انگلیسی، عاشق فناوری و هر چیزی که تو این حوزه قرار می‌گیره. طرفدار دو آتیشه برند اپل و عاشق نوشتن درباره محصولات و تولیدات جدید در حوزه تکنولوژی. تولید محتوا و زبان انگلیسی دو تا از علایق زندگیشه و از این کار لذت می‌بره.

ارسال یک پاسخ

لطفا دیدگاه خود را وارد کنید!
لطفا نام خود را در اینجا وارد کنید