با دوربین مدت پرواز یا ToF آشنا شوید

با کاهش فروش یا اشباع بازار گوشی‌های هوشمند در بسیاری از نقاط جهان، تولیدکننده‌ها فرایندهای نوآورانه‌ی جدیدی را در نظر گرفته‌اند تا مصرف‌کننده‌ها را هرچه بیشتر به خرید محصولات جدید تشویق کنند. به‌عنوان مثال استفاده از چند حسگر دوربین در پشت گوشی یا نمایشگرهای تمام‌صفحه با حفره‌ی کوچک دوربین جلویی یا گوشی‌های هوشمند تاشدنی، همگی با هدف تشویق بیشتر مصرف‌کننده‌ها به خرید محصولات متولد شدند.

عملکرد دوربین مدت پرواز را به زبان ساده می‌توان در سه مرحله شرح داد:

• حسگر دوربین یک پرتو نوری (مثلا مادون قرمز یا لیزر) ساطع می‌کند.
• زمان بازگشت پرتو نور به حسگر محاسبه می‌شود (مدت پرواز).
• باتوجه به مدت زمان بازگشت پرتو نور، فاصله و عمق نقاط متعدد سوژه و صحنه اندازه‌گیری می‌شود.

از مزیت‌های دوربین ToF نسبت به فناوری‌های مشابه اسکن سه‌بعدی عمق مانند سیستم دوربین/پروژکتور، می‌توان به قیمت بسیار پایین‌تر اشاره کرد. حسگرهای کنونی توانایی تصویربرداری تا ۱۶۰ فریم‌برثانیه را دارند و درنتیجه برای کاربردهای زنده و آنی مانند مات کردن پس‌زمینه در حالت فیلم‌برداری، عالی محسوب می‌شوند. به‌علاوه، آن‌ها نیاز به قدرت پردازشی بسیار پایینی دارند و به‌محض جمع‌آوری داده‌های فاصله‌ای، قابلیت‌هایی همچون تشخیص تصویر با بهره‌گیری از الگوریتم‌های مناسب به‌راحتی پیاده‌سازی می‌شوند.

دوربین‌های ToF از روش‌های متعددی هستند که در دسته‌ی تصویربرداری فاصله‌ای قرار می‌گیرند. این دوربین‌ها به‌نام حسگرهای سه‌بعدی یا دوربین تشخیص فاصله نیز شناخته می‌شوند.

دوربین‌های ToF از قطعات سخت‌افزاری متعددی تشکیل شده‌اند که ترکیب فناوری‌های موجود در آن‌ها، ایجاد داده‌های فاصله‌ای و عمقی را ممکن می‌کند. در ادامه توضیحی از عملکرد و ساختار هر یک از قطعات ارائه می‌کنیم.

همان‌طور که از نام این واحد برمی‌آید، ساطع کردن پرتوهای مادون قرمز یا لیزر را انجام می‌دهد. فناوری‌های ToF چند دسته‌ی متفاوت دارند، اما در همه‌ی آن‌ها، مادون قرمز یا لیزر، نور مورد استفاده است. یک نمونه‌ از حسگرهای ToF از منابع نوری RF بهره می‌برند و تشخیص‌دهنده‌های فازی دارند. برای چنین دستگاه‌هایی، نور باید با سرعت تناوبی تا ۱۰۰ مگاهرترز ساطع شود. در نمونه‌هایی که از حسگرهای ToF مستقیم استفاده می‌کنند، تنها یک پالس در هر فریم (مثلا ۳۰ هرتز) کافی خواهد بود.

قطعا برای دریافت و تصویر پرتوهای ساطع‌شده از واحد نوردهی، باید از یک لنز استفاده شود. لنز با دریافت نورهای بازتابی، محیط را برای واحد پردازش تصویرسازی می‌کند و از آرایه‌ی کانونی بهره می‌برد. در تجهیزات اپتیکی از یک فیلتر هم استفاده می‌شود تا تنها نور دارای طول موج برابر با نور فرستاده‌شده اندازه‌گیری شود و نویز در محاسبات نقش نداشته باشد.

حسگر را می‌توان قلب دوربین ToF دانست. هر پیکسل از حسگر، زمانی را اندازه‌گیری می‌کند که طول می‌کشد تا نور از واحد نوردهی به سوژه تابنده شود و به آرایه‌ی کانونی بازگردد. برای اندازه‌گیری زمان نیز از دستگاه‌های متنوعی استفاده می‌شود که به شرکت سازنده وابسته خواهند بود.

واحد نوردهی و حسگر تصویر باید با سیگنال‌های سریع کنترل‌ شده و هماهنگ شوند. این سیگنال‌ها باید دقت بسیار بالایی داشته باشند تا بهترین کیفیت و دقت از نقشه‌ی عمقی و فاصله‌ای دریافت شود. به‌عنوان مثال اگر سیگنال‌های واحد نوردهی و حسگر تصویر تنها با فاصله‌ی ۱۰ پیکوثانیه جابه‌جا شوند، فاصله‌ی اندازی‌گیره‌شده ۱/۵ میلی‌متر تغییر می‌کند. پردازنده‌های کنونی تا فرکانس‌های سه گیگاهرتز قوی شده‌اند که برابر با ۳۰۰ چرخه‌ی کلاک بر ثانیه می‌شود. درنتیجه‌ی بهره‌گیری از این پردازنده‌ها، رزولوشن حاصل اکنون تنها حدود ۴۵ میلی‌متر می‌شود.

محاسبه‌ی فاصله به‌صورت مستقیم و زنده در داخل خود دوربین انجام می‌شود. برای بهینه‌سازی محاسبه و افزایش دقت هم باید کمی داده‌ی کالیبراسیون به‌کار گرفته شود.

از قابلیت‌ها و کاربردهای دوربین ToF می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• اسکن اجسام، ناوبری داخل محیطی،‌ شناسایی حرکت
• بهینه‌سازی تصویرسازی سه‌بعدی و تجربه‌های واقعیت افزوده
• به‌زبان ساده، تار کردن راحت‌تر پس‌زمینه در تصویربرداری پرتره

همان‌طور که گفته شد، دوربین‌های ToF در دسته‌بندی دوربین‌های تصویرسازی فاصله‌ای قرار می‌گیرند و توانایی محاسبه‌ی فاصله و حجم را دارند. درنتیجه می‌توان آن‌ها در کاربردهایی همچون اسکن اجسام یا ناوبری داخلی به کار گرفت. از قابلیت‌های دیگر می‌توان به شناسایی و دوری از موانع، تشخیص دستورهای حرکتی، ردگیری سوژه و ارتفاع‌سنجی واکنشی اشاره کرد. داده‌هایی که از حسگر ToF دریافت می‌شوند، در تصویرسازی سه‌بعدی نیز کارایی دارند و درنتیجه، تجربه‌های AR را بهبود می‌بخشند. گوشی‌‌های هوشمندی که از دوربین‌های ToF بهره می‌برند، عکس‌برداری سه‌بعدی و قابلیت‌های واقعیت افزوده و عکس‌برداری پرتره‌ی حرفه‌ای‌تری دارند.

عکس‌برداری پرتره عموما شامل تمرکز و کیفیت بالا روی سوژه‌ی اصلی و تار کردن پس‌زمینه می‌شود. حسگرهای ToF از لحاظ نظری می‌توانند چنین رویکردی را با کیفیت بالاتر انجام دهند. البته هنوز به قابلیت‌های نرم‌افزاری بهینه‌سازی‌شده‌ای نیاز خواهد بود و به همین دلیل از عبارت «نظری» در توضیح قابلیت‌های ToF استفاده می‌شود. درنهایت، شرکت سازنده‌ی دوربین و گوشی هوشمند، باید عملکردهای پردازشی و ترکیبی روی داده‌های ToF را برنامه‌ریزی و طراحی کند.

حسگرهای ToF عموما از پرتوهای مادون قرمز برای تشخیص فاصله و عمق استفاده می‌کنند. درنتیجه استفاده از چنین حسگرهایی در عکس‌برداری با نور پایین نیز کاربردی خواهد بود. استفاده از پرتو مادون قرمز، یعنی فوکوس کردن دوربین در نور پایین نیز به‌خوبی انجام می‌شود.

اصطلاح دوربین‌های ToF شاید برای برخی از کاربران و مصرف‌کننده‌های دنیای فناوری جدید باشد، اما تولیدکننده‌ها از سال‌ها پیش چنین حسگرهایی را در محصولات خود استفاده کرده‌اند. فناوری ToF را نمی‌توان آن‌چنان نو و جدید دانست و حداقل در یک دهه‌ی گذشته، شاهد به‌کارگیری آن در محصولات متنوعی بوده‌ایم. مایکروسافت از اولین شرکت‌هایی بود که ToF را در محصولات خود به‌کار گرفت. نسل دوم دستگاه‌های کینکت کنسول بازی ایکس‌باکس، مجهز به این حسگرها بودند.

خودروهای خودران، فناوری موسوم به LIDAR دارند که از دوربین‌های ToF بهره می‌برد، البته در خودروها از لیزر به‌جای نور مادون قرمز استفاده می‌شود. حتی شرکت‌های سازنده‌ی پهپاد نیز از حسگرهای ToF در محصولات خود استفاده می‌کنند. درنهایت اگرچه دوربین‌های ToF عمر زیادی دارند، هنوز فناوری‌های نو و جذابی در دسته‌ی محصولات الکترونیکی مصرفی محسوب می‌شوند. پیاده‌سازی این فناوری، روز‌به‌روز پربازده‌تر، مقرون‌به‌صرفه‌تر و در دسترس‌تر می‌شود.

از اولین گوشی‌های هوشمندی که فناوری ToF را در دوربین‌های خود به‌کار گرفته‌اند، می‌توان به هواوی ویو 20 اشاره کرد که در سال ۲۰۱۸ معرفی شد. از آن زمان گوشی‌های پرچم‌دار متعددی مجهز به ToF معرفی شده‌اند که ال‌جی جی 8 اس تینکیو یکی از آن‌ها است. شایعه‌های جدید ادعا می‌کنند که گوشی‌های گلکسی S20 پلاس و S20 اولترا هم مجهز به حسگر ToF خواهند بود. از گوشی‌های دیگر مجهز به ToF می‌توان به هواوی پی 30 پرو، سامسونگ گلکسی S10 5G Ultimate Edition، اوپو RX17 پرو و ال‌جی جی 8 تینکیو اشاره کرد.

سونی درحال‌حاضر یکی از تولیدکننده‌های اصلی حسگرهای مدرن ToF محسوب می‌شود. اخبار جدید ادعا می‌کنند که اپل قصد پیاده‌سازی فناوری مذکور را در گوشی‌های جدید خود دارد که افزایش تولید را در سونی به‌همراه داشته است. از تولیدکننده‌های دیگر می‌توان به AMS/Heptagon, ASC TigerCub, TeraRanger One, Riegl, Lucid/Helios و AdaFruit اشاره کرد.