ما هو مستشعر ToF؟ مزاياه وعيوبه

ما هو مستشعر ToF؟ ماذا يفعل مستشعر ToF؟

لا أعرف إذا كنت مألوفًا مع أجهزة الكشف بالسونار، ولكن وفقًا لويكيبيديا، فإن جهاز الكشف بالسونار هو جهاز إلكتروني يستخدم خصائص الموجات الصوتية المنتشرة تحت الماء لأداء المهام تحت الماء من خلال التحويل الكهروصوتي ومعالجة المعلومات.
 
ToF هو اختصار لـ Time of Flight، ويعمل مستشعر ToF بطريقة مشابهة جدًا لجهاز الكشف بالموجات فوق الصوتية. يستخدم لتتبع الأشياء وإجراء قياسات المسافة من خلال قياس الزمن الذي تستغرقه الضوء للانعكاس ذهابًا وإيابًا من المحول إلى الجسم. محول ToF هو نوع من المحولات الذي يقيس العمق والمسافة إلى الجسم باستخدام تقنية Time of Flight. غالبًا ما يتم أيضًا تسمية مستشعرات ToF بـ "كاميرات العمق" أو كاميرات ToF.
 
المكونات الرئيسية لنظام كاميرا ToF

يتكون نظام كاميرا time-of-flight من ثلاثة مكونات رئيسية:

1. مستشعر ToF ووحدة المستشعر: المستشعر هو المكون الرئيسي لنظام كاميرا ToF. فهو قادر على جمع الضوء المنعكس وتحويله إلى بيانات عمق على البكسلات. كلما كانت دقة المستشعر أعلى، كان جودة خريطة العمق أفضل.
2. مصدر الضوء: تولد كاميرا ToF مصدر ضوء عبر ليزر أو LED. عادةً ما يكون NIR (الأشعة تحت الحمراء القريبة) بطول موجي يتراوح بين 850nm و940nm.
3. معالج العمق: يساعد في تحويل بيانات البكسل الخام وبيانات الطور القادمة من مستشعر الصورة إلى معلومات عمق. يوفر صورة 2D IR (الأشعة تحت الحمراء) سلبية ويساعد أيضًا في تصفية الضوضاء.

 
كيف يعمل مستشعر ToF؟

كما ذكرنا أعلاه، يقوم مستشعر ToF بقياس المسافة بين المستشعر والجسم المراد قياسه عن طريق قياس الفرق الزمني بين إصدار الضوء وانعكاسه، فما هي الخطوات لتحقيق ذلك؟
هذه هي خطوات مستشعر ToF:

1. الإطلاق: يتم إصدار نبضة ضوئية بواسطة مصدر الضوء تحت الحمراء (IR) المدمج في المستشعر، أو مصدر ضوء قابل للتعديل آخر (مثل الليزر أو الـ LED).
2. الانعكاس: يلمس نبض الضوء الكائن ويعود منعكسًا إلى المستشعر.
3. المستشعر: باستخدام الكاشف المدمج في المستشعر، يتم قياس الوقت الذي يستغرقه النبض الضوئي للسفر من الإطلاق وحتى لمس الجسم والعودة.
4. حساب المسافة: باستخدام الزمن المستغرق للطيران والسرعة المعروفة للضوء، يمكن للمستشعر حساب المسافة إلى الجسم. ما يلي هو صيغة حساب المسافة.

ما هي مزايا مستشعر ToF؟

استهلاك طاقة منخفض

تكنولوجيا ToF تستخدم مصدر ضوء تحت الأحمر唯一的 لقياس معلومات العمق والشدة مباشرة في كل بكسل. بالإضافة إلى ذلك، تحتاج ToF إلى معالجة أقل للبيانات مقارنة بتقنيات استشعار العمق الأخرى التي تعتمد على خوارزميات معقدة مثل الضوء الهيكلي أو الرؤية الثنائية، مما يوفر طاقة إضافية على معالج التطبيق.

 
دقة عالية

توفر كاميرات مستشعرات TOF قياسات عمق دقيقة للغاية مع أخطاء قياس صغيرة وأوقات استجابة سريعة للتطبيقات التي تتطلب قياسات بعد دقيقة جدًا.
 

في الوقت الفعلي

يمكن لكاميرات مستشعرات TOF التقاط صور العمق في الوقت الفعلي، وهو ما يُعتبر مفيدًا للسيناريوهات التي تتطلب ردود فعل سريعة وتطبيقات في الوقت الفعلي.

نطاق ديناميكي واسع

تتميز كاميرات مستشعرات TOF بمدى ديناميكي واسع يحافظ على قياسات عمق دقيقة تحت ظروف الإضاءة المختلفة، مما يجعلها مناسبة لعدد كبير من البيئات سواء داخل أو خارج المباني.
قياس البعد الطويل
بما أن أجهزة استشعار ToF تستخدم الليزر، فهي قادرة على قياس المسافات الطويلة بدقة شديدة. وبالتالي، تتمتع أجهزة استشعار ToF بالمرونة للكشف عن الأشياء القريبة والبعيدة بجميع الأشكال والأحجام.
 

فعالة من حيث التكلفة

مقارنة مع تقنيات المسح ثلاثي الأبعاد الأخرى مثل الضوء الهيكلي أنظمة الكاميرا أو أجهزة قياس المسافة بالليزر، فإن أجهزة استشعار ToF نسبيًا رخيصة الثمن.
 

ما هو عيب TOF؟

على الرغم من الفوائد العديدة لتقنية ToF، هناك بعض القيود التقنية.

 
قيود الدقة

كاميرات أجهزة استشعار TOF المتاحة حاليًا في السوق غالبًا ما تكون بدقة منخفضة، مما قد لا يكون كافيًا للتطبيقات التي تتطلب مستوى عاليًا من التفاصيل.
 

الشوائب الناتجة عن ضوء متفرق

إذا كانت سطوح الأجسام المراد قياسها مشرقة جدًا وقريبة جدًا من مستشعر ToF، فقد تتناثر كمية كبيرة من الضوء إلى المستقبل وتسبب الشوائب والانعكاسات غير المرغوب فيها.
 

الشكوك في القياس بسبب الانعكاسات المتعددة

عند استخدام مستشعر ToF على الزوايا والسطوح المحدبة، قد يتم انعكاس الضوء عدة مرات، وهذه الانعكاسات غير المرغوب فيها تُدخل شكوكًا كبيرة في القياس.  

تؤثر الإضاءة المحيطة سلبًا على القياسات

عند استخدام مستشعر ToF في الهواء الطلق في يوم مشمس، يمكن أن يؤدي شدة ضوء الشمس العالية إلى تشبع سريع لبكسلات المستشعر، مما يجعل من المستحيل اكتشاف الضوء المنعكس الفعلي من الجسم.

 
مجالات تطبيق كاميرات مستشعرات ToF

الروبوتات الصناعية: بمساعدة خريطة عمق ثلاثية الأبعاد في الوقت الفعلي للبيئة، يمكن للروبوتات التعرف على الأجسام ونطاق حركتها بدقة أكبر. باستخدام التعرف على الإيماءات، يمكن للروبوتات التفاعل مباشرة مع البشر في التطبيقات التعاونية. في التطبيقات الصناعية، يمكن للروبوتات المزودة بكاميرات 3D-ToF قياس أي منتج بثلاث أبعاد بدقة أكبر وأخذ المنتج وضعه بدقة عالية.

النمذجة ثلاثية الأبعاد والواقع الافتراضي: تُستخدم كاميرات مستشعرات TOF على نطاق واسع في النمذجة ثلاثية الأبعاد والواقع الافتراضي. من خلال الحصول على صور عمق عالية الجودة في الوقت الفعلي، يمكن تحقيق إعادة بناء ثلاثي الأبعاد واقعية وتجارب واقع افتراضي مغمورة.

أسئلة شائعة

السؤال: هل TOF هو نفسه LiDAR؟

الإجابة: يستخدم كل من LiDAR ومستشعرات TOF الضوء لقياس المسافة إلى الجسم وإنشاء صورة ثلاثية الأبعاد للبيئة. لكن LiDAR عادةً ما تستخدم الليزر، بينما تستخدم مستشعرات TOF أنواعًا مختلفة من الضوء، مثل ضوء LED أو الضوء تحت الحمراء.
 
السؤال: ما هو مستشعر TOF في الهاتف؟

الإجابة: يمكن لمستشعر العمق ToF أن يحدد العمق والمسافة لرفع مستوى التصوير الفوتوغرافي الخاص بك إلى المستوى التالي. يستخدم سرعة الضوء المعروفة لقياس المسافة، ويحسب بشكل فعال الزمن الذي يستغرقه الكاميرا للعمل. يستخدم سرعة الضوء المعروفة لقياس المسافة، ويحسب الزمن الذي يستغرقه الشعاع المنعكس للعودة إلى مستشعر الكاميرا.
 

خاتمة

أظهرت كاميرات مستشعرات TOF إمكانات كبيرة في التطبيقات في مختلف المجالات بسبب دقتها العالية في قياس العمق وأدائها في الوقت الفعلي. على الرغم من عيوب حدود الدقة والتشويش بين الأشياء المتعددة، ستشهد كاميرات مستشعرات TOF اختراقات وتحسينات أكبر مع التطور المستمر للتكنولوجيا.
 
على الرغم من وجود عوامل مثل تصحيح البصريات والتغير الحراري التي تؤثر على دقة العمق أثناء تصميم كاميرا مستشعر عمق يعتمد على تقنية TOF، فإن Sinoseen، ولديها أكثر من عقد من الخبرة في الرؤية الثنائية، هنا لمساعدتك إلى أقصى حد. لا تتردد في اتصل بنا إذا كنت بحاجة إلى أي مساعدة.