ToF(Time-Of-Flight) kameralar yapay bir ışığın kamera ile cismin her bir noktası arasındaki gidiş dönüş süresini bir lazer veya LED yardımıyla ölçerek hesaplama işini yapmaktadır. Lazer tabanlı ToF kameraları, tarama usülü çalışan LIDAR sistemlerinde olduğu gibi bir lazer ışını ile nokta nokta taramanın aksine tüm sahnenin her lazer darbesiyle yakalandığı daha geniş bir tarayıcısız LIDAR sınıfının parçasıdır.
Sivil kullanıma uygun ToF sensör ürünleri, yarı iletken üretim süreçlerinin bu tür cihazlar için yeteri kadar hızlı bileşenlerin üretilmesi teknolojisine ulaşmasına bağlı olarak 2000 yılı civarında ortaya çıkmaya başladı. Günümüzde ToF Sensör sistemlerinin kapsama alanı birkaç santimetreden birkaç kilometreye kadar olabilmektedir.
ToF kameralarının uygulama alanları arasında lazer tarayıcı içermeyen LIDAR görüntüleme sistemleri, hareket algılama ve izleme uygulamaları, makine görüsü ve otonom sürüş için nesne algılama, coğrafya alanında topografik haritalama gibi alanlar bulunmaktadır.
ToF Sensör Türleri Nelerdir?
ToF Sensörlerinde ölçüm için farklı teknolojiler geliştirilmiştir.
1-Faz dedektörlü RF modülasyonlu ışık kaynakları
Sensör, giden ışını bir RF taşıyıcı ile modüle ederek ve ardından alıcı tarafında bu taşıyıcının faz kaymasını ölçme prensibine göre çalışır. Aydınlatma, lazer yerine darbeli LED’lerle sağlanmaktadır.
2-Menzil kapılı görüntüleyiciler
Bu tip görüntü sensörlerinde, gönderilen ışık darbeleriyle aynı hızda açılıp kapanan yerleşik bir deklanşör sistemi bulunur. Çoğu ToF 3D sensörleri, “Medine” şirketi tarafından icat edilen bu prensibe dayanmaktadır. Cisimden geri dönen her darbenin bir kısmı, varış zamanına göre deklanşör tarafından bloke edildiğinden, alınan toplam ışık miktarı darbenin kat ettiği mesafeyle ilişkili bir durumdadır.
Menzil kapılı görüntüleyiciler, bir sis bulutunun içini görmek gibi belirlenmiş bir mesafe aralığının dışındaki her şeyi bastırmak üzere 2D görüntüleme amacında da kullanılabilir. Darbeli bir lazer sisteme gereken aydınlatmayı sağlar ve bir optik kapı, ışığın yalnızca istenen zaman aralığında görüntüleyiciye ulaşmasına izin verir. Böylece ölçüm gerçekleştirilir.
3-Doğrudan Uçuş Süresi görüntüleyicileri
Bu sensör tipinde ise, tek bir lazer darbesinin kameradan ayrılması ve odak düzlemi dizisine geri yansıması için gereken doğrudan uçuş süresini ölçme prensibi geçerlidir. Bu mod ayrıca “Tetikleme modu” olarak da bilinir ve bu metodoloji görüntüsü kullanılarak çekilen 3B görüntüler, tek bir lazer darbesiyle bütün 3B sahneleri kaydederek uzamsal ve zamansal verileri tamamlamaktadır. Bu durum, mevcut sahne bilgilerinin hızlı bir şekilde alınmasına ve hızlıca gerçek zamanlı olarak işlenmesine olanak tanır.
ToF Kamera Hangi Ekipmanlardan Oluşur?
- Aydınlatma birimi: Sahneyi aydınlatır. Faz dedektörlü görüntüleyicilere sahip RF modülasyonlu ışık kaynakları için, ışığın 100 MHz’e kadar yüksek hızlarda modüle edilmesi gerekir ve bu durum yalnızca LED’ler veya lazer ile mümkündür. Doğrudan TOF görüntüleyiciler için ise kare başına tek bir darbe (örn. 30 Hz) kullanılır. Aydınlatma, gözü rahatsız etmeyecek şekilde olması için kızılötesi ışık ile sağlanır.
- Optik: Bir mercek, yansıyan ışığı toplar ve çevreyi görüntü sensöründe (odak düzlemi dizisi) görüntüler. Optik bant geçiren filtre ile yalnızca aydınlatma ünitesiyle aynı dalga boyuna sahip olan ışığı geçirir. Bu, isteklere uygun olmayanışığı bastırmaya ve oluşan gürültüyü azaltmaya yardımcı olur.
- Görüntü Sensörü: Bu bileşen ToF kameranın kalbi olarak nitelendirilir. Her piksel için, ışığın aydınlatma ünitesinden, nesneye ve odak düzlemi dizisine geri dönmesi için geçen süreyi ölçmekle görevlidir. Zamanlama için birkaç farklı yaklaşım kullanılır.
- Sürücü elektroniği: Hem aydınlatma ünitesi hem de görüntü sensörü, yüksek hızlı sinyallerle kontrol edilmeli ve senkronize edilmelidir. Bu durum yüksek bir çözünürlük elde etmek için oldukça kritiktir. Örneğin, aydınlatma ünitesi ile sensör arasındaki sinyaller sadece 10 pikosaniye kayıyorsa , mesafe 1,5 mm değişir.
- Hesaplama/Arayüz: Mesafe bilgisi doğrudan kamerada hesaplanmaktadır. İyi performans elde etmek için bazı kalibrasyon verileri de kullanılır. Ardından kamera, örneğin USB veya Ethernet gibi bazı arabirimler üzerinden bir mesafe görüntüsü sağlar ve bunu ilgili cihaza iletir.
Tof Sensörü Avantajları Nelerdir?
- Basitlik
- Verimli mesafe algoritması
- Hız
Tof Sensörü Dezavantajları
- Arka plan ışığı
- Çoklu yansımalar
- Girişim
Bazı TOF cihaz türlerinde, eğer aynı anda birkaç uçuş süresi kamerası çalışıyorsa, TOF kameraları birbirlerinin ölçümlerini bozabilir. Bu sorunla başa çıkmak için birkaç çözüm yolu geliştirilmiştir;
- Zaman çoğullama: Bir kontrol sistemi, tek tek kameraların ölçümünü ardışık olarak başlatır, böylece aynı anda sadece bir aydınlatma ünitesi aktif olur.
- Farklı modülasyon frekansları: Kameralar ışıklarını farklı modülasyon frekansları ile modüle ederse, diğer sistemlerde ışığı sadece arka plan aydınlatması olarak toplanır ancak mesafe ölçümünü bozmaz.
ToF Sensörlerin Uygulama Alanları
- Otomotiv uygulamaları
Aktif yaya güvenliği, çarpışma öncesi algılama gibi gelişmiş otomotiv uygulamaları ve konum dışı (OOP) algılama gibi iç mekan uygulamaları için yardım ve güvenlik işlevlerinde kullanılır.
- İnsan-makine arayüzleri
- Bilgisayar Oyunu Sektörü
- Akıllı telefon kameraları
Kamera yazılımına ön plan ve arka plan hakkında bilgi sağlayarak fotoğrafların kalitesini artırmak için kullanılır.
Bu teknolojiyi kullanan ilk cep telefonu , 2014’ün başlarında piyasaya sürülen LG G3’tür.
- Ölçüm ve makine görüsü
- Robotik
- Dünya topografyası
Kaynakça
