دوربین مدت پرواز یا ToF چیست ؟

حسگر دوربین مدت پرواز یا ToF از فناوری‌های جدید صنعت دوربین محسوب می‌شود که گوشی‌ های هوشمند جدید، بیش‌ازپیش از آن بهره خواهند برد.با کاهش فروش یا اشباع بازار گوشی‌ های 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 گوشی‌ های هوشمند تاشدنی، همگی با هدف تشویق بیشتر مصرف‌کننده‌ها به خرید محصولات متولد شدند.حسگر مدت پرواز یا ToF (مخفف Time of Flight) یکی از فناوری‌های نو و خبرساز در سال ۲۰۱۹ بود. حسگر های مذکور با هدف ایجاد تحولی جدید در کارایی‌های دوربین گوشی‌ های هوشمند معرفی شدند و برخی از محصولات کنونی بازار نیز به آن‌ها مجهز شده‌اند. اخبار رسیده از محصولات آتی نیز نشان می‌دهد که احتمالا در سال جاری، شاهد عرضه‌ی گوشی‌ های هوشمند بیشتر با حسگر های ToF هستیم.دوربین مدت پرواز ToF چیست؟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.حسگر ToF با محاسبه‌ی زمان رفت و برگشت نور از سوژه، اطلاعات فاصله و عمق آن را استخراج می‌کندحسگر های ToF با ساطع کردن نور مادون قرمز (که با چشم غیرمسلح دیده نمی‌شوند) اطلاعات عمیقی از صحنه و سوژه دریافت می‌کنند. رویکرد آن‌ها شبیه به رویکرد فاصله‌یابی و مسیریابی خفاش‌ها تفسیر می‌شود. حسگر، پرتو نوری را ساطع می‌کند که پس از برخورد به سوژه، به گیرنده بازمی‌گردد. مدت زمان بازگشت پرتو اندازه‌گیری می‌شود و قابلیت‌های نقشه‌برداری عمقی را به حسگر می‌دهد. فناوری جدید نسبت به قابلیت‌های قبلی مزیت‌های زیادی دارد و تنها با یک پالس لیزر می‌توان اطلاعات دقیق فاصله‌ای را محاسبه کرد.از مزیت‌های دوربین ToF نسبت به فناوری‌های مشابه اسکن سه‌بعدی عمق مانند سیستم دوربین/پروژکتور، می‌توان به قیمت بسیار پایین‌تر اشاره کرد. حسگر های 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.دوربین‌ های ToF از روش‌های متعددی هستند که در دسته‌ی تصویربرداری فاصله‌ای قرار می‌گیرند. این دوربین‌ها به‌نام حسگر های سه‌بعدی یا دوربین تشخیص فاصله نیز شناخته می‌شوند.اجزاء تشکیل‌دهنده‌ی دوربین ToFدوربین‌ های 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.واحد نوردهیهمان‌طور 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 حسگر های 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 حسگر های ToF مستقیم استفاده می‌کنند، تنها یک پالس در هر فریم (مثلا ۳۰ هرتز) کافی خواهد بود.تجهیزات اپتیکیقطعا 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 تصویرحسگر 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.واحدهای کنترل الکترونیکواحد 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.واحد پردازش و تفسیرمحاسبه‌ی 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.قابلیت‌های دوربین ToFاز قابلیت‌ها و کاربردهای دوربین ToF می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:اسکن اجسام، ناوبری داخل محیطی،‌ شناسایی حرکتبهینه‌سازی تصویرسازی سه‌بعدی و تجربه‌های واقعیت افزودهبه‌زبان ساده، تار کردن راحت‌تر پس‌زمینه در تصویربرداری پرترههمان‌طور که گفته شد، دوربین‌ های 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. گوشی‌‌ های هوشمندی که از دوربین‌ های 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. حسگر های 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.حسگر های ToF عموما از پرتوهای مادون قرمز برای تشخیص فاصله و عمق استفاده می‌کنند. درنتیجه استفاده از چنین حسگر هایی 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.تاریخچه‌ی فناوری ToFاصطلاح دوربین‌های ToF شاید برای برخی از کاربران و مصرف‌کننده‌های دنیای فناوری جدید باشد، اما تولیدکننده‌ها از سال‌ها پیش چنین حسگر هایی 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 دوربین‌ های ToF بهره می‌برد، البته در خودروها از لیزر به‌جای نور مادون قرمز استفاده می‌شود. حتی شرکت‌های سازنده‌ی پهپاد نیز از حسگر های 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 گوشی‌ های هوشمندی که فناوری ToF را در دوربین‌ های خود به‌کار گرفته‌اند، می‌توان به هواوی ویو ۲۰ اشاره کرد که در سال ۲۰۱۸ معرفی شد. از آن زمان گوشی‌های پرچم‌دار متعددی مجهز به ToF معرفی شده‌اند که ال‌جی جی ۸ 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 گوشی‌ های دیگر مجهز به ToF می‌توان به هواوی پی ۳۰ پرو، سامسونگ گلکسی S10 5G Ultimate Edition، اوپو RX17 پرو و ال‌جی جی ۸ 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.