O que é um sensor ToF? Suas vantagens e desvantagens

O que é um sensor ToF? O que um sensor ToF faz?

Não sei se você está familiarizado com detectores de sonar, mas de acordo com a Wikipedia, um detector de sonar é um dispositivo eletrônico que utiliza as propriedades das ondas sonoras propagando-se debaixo d'água para realizar tarefas subaquáticas por meio de conversão eletroacústica e processamento de informações.
 
ToF significa Time of Flight, e o sensor ToF funciona muito similarmente a um detector de sonar. Ele é usado para localizar objetos e fazer medições de distância, medindo o tempo que a luz leva para refletir de ida e volta do transdutor ao objeto. Um transdutor ToF é um tipo de transdutor que mede profundidade e distância a um objeto utilizando o método Time of Flight. Frequentemente, sensores ToF também são chamados de 'câmeras de profundidade' ou câmeras ToF.
 
Componentes Principais de um Sistema de Câmera ToF

Um sistema de câmera de tempo de voo consiste em três componentes principais:

1. Sensor ToF e Módulo de Sensor: O sensor é o componente-chave do sistema de câmera ToF. Ele é capaz de coletar luz refletida e convertê-la em dados de profundidade nos pixels. Quanto maior a resolução do sensor, melhor será a qualidade do mapa de profundidade.
2. Fonte de luz: A câmera ToF gera um feixe de luz por meio de um laser ou LED. Normalmente Luz NIR (Infravermelho Próximo) com comprimento de onda de 850nm a 940nm.
3. Processador de Profundidade: Ajuda a converter os dados brutos de pixel e os dados de fase vindos do sensor de imagem em informações de profundidade. Fornece uma imagem 2D IR (infravermelho) passiva e também ajuda no filtro de ruído.

 
Como funciona um sensor ToF?

Como mencionamos acima, o sensor ToF mede a distância entre o sensor e o objeto a ser medido ao medir a diferença de tempo entre a emissão e a reflexão da luz, então quais são as etapas para realizá-lo?
Aqui estão as etapas do sensor ToF:

1. Emissão: Um pulso de luz é emitido pelo emissor de luz infravermelho (IR) interno do sensor, ou por outra fonte de luz ajustável (por exemplo, laser ou LED).
2. Reflexão: O pulso de luz toca um objeto e é refletido de volta ao sensor.
3. Detector: Usando o detector embutido do sensor, mede-se o tempo que leva para o pulso de luz viajar da emissão até tocar o objeto e retornar.
4. Cálculo de distância: Usando o tempo de voo medido e a velocidade da luz conhecida, o sensor pode calcular a distância até o objeto. A seguir está a fórmula para calcular a distância.

Quais são as vantagens do ToF?

Baixo consumo de energia

A tecnologia ToF utiliza apenas uma fonte de luz infravermelha para medir diretamente as informações de profundidade e amplitude em cada pixel. Além disso, o ToF requer menos processamento de dados de profundidade em comparação com outras técnicas de detecção de profundidade intensivas em algoritmos, como luz estruturada ou visão estéreo, economizando energia adicional no processo de aplicação.

 
Alta Precisão

Câmeras com sensores TOF fornecem medições de profundidade altamente precisas com erros de medição pequenos e tempos de resposta rápidos para aplicações que exigem medições de distância muito precisas.
 

Em tempo real

Câmeras com sensores TOF podem adquirir imagens de profundidade em tempo real, o que é útil para cenários que exigem feedback rápido e aplicações em tempo real.

Ampla gama dinâmica

Câmeras com sensores TOF possuem uma ampla faixa dinâmica que mantém medições precisas de profundidade em diferentes condições de iluminação, tornando-as adequadas para uma variedade de ambientes, tanto internos quanto externos.
Medição de Longa Distância
Como os sensores TOF utilizam lasers, eles conseguem medir distâncias longas com extrema precisão. Como resultado, os sensores TOF têm a flexibilidade de detectar objetos próximos e distantes de todos os tamanhos e formas.
 

Custo-efetivo

Em comparação com outras tecnologias de digitalização 3D de profundidade, como luz estruturada sistemas de câmera ou medidores de distância a laser, os sensores TOF são relativamente baratos.
 

Qual é a desvantagem do TOF?

Apesar dos muitos benefícios do TOF, existem algumas limitações técnicas.

 
Limitações de Resolução

Câmeras com sensores TOF atualmente disponíveis no mercado geralmente têm uma resolução baixa, o que pode não ser suficiente para aplicações que exigem um alto nível de detalhe.
 

Artifacts causados por luz dispersa

Se as superfícies dos objetos a serem medidos forem particularmente brilhantes e muito próximas do sensor ToF, elas podem dispersar demasiada luz no receptor e criar artifacts e reflexos indesejados.
 

Incerteza de medição devido a múltiplas reflexões

Ao usar um sensor ToF em cantos e superfícies côncavas, a luz pode ser refletida várias vezes, e essas reflexões indesejadas introduzem uma incerteza significativa na medição.  

Luz ambiente afeta negativamente as medições

Ao usar um sensor ToF ao ar livre em um dia ensolarado, a alta intensidade da luz solar pode causar a saturação rápida dos pixels do sensor, tornando impossível detectar a luz real refletida de um objeto.

 
Áreas de aplicação para câmeras com sensores ToF

Robôs Industriais: Com a ajuda de um mapa de profundidade 3D em tempo real do ambiente, robôs conseguem reconhecer objetos e o seu alcance de movimento com mais precisão. Com o reconhecimento de gestos, os robôs podem interagir diretamente com as pessoas em aplicações colaborativas. Em aplicações industriais, robôs com câmeras 3D-ToF são capazes de medir qualquer produto em três dimensões com maior precisão e de pegar e colocar produtos com alta precisão.

modelagem 3D e Realidade Virtual: Câmeras com sensores TOF são amplamente utilizadas em modelagem 3D e realidade virtual. Ao adquirir imagens de profundidade de alta qualidade em tempo real, é possível realizar reconstruções 3D realistas e experiências imersivas de realidade virtual.

Perguntas frequentes

Q: O ToF é a mesma coisa que LiDAR?

A: Tanto o LiDAR quanto os sensores ToF usam luz para medir a distância até um objeto e criar uma imagem 3D do ambiente. No entanto, o LiDAR geralmente usa lasers, enquanto os sensores ToF usam vários tipos de luz, como luz LED ou infravermelho.
 
Q: O que é um sensor ToF em um telefone?

A: A câmera de Profundidade ToF pode julgar profundidade e distância, levando sua fotografia ao próximo nível. Ela usa a velocidade conhecida da luz para medir distâncias, calculando efetivamente o tempo que leva para o feixe refletido retornar ao sensor da câmera.
 

Conclusão

Câmeras com sensores TOF mostraram grande potencial para aplicações em diversos campos devido à sua alta precisão na medição de profundidade e desempenho em tempo real. Apesar das desvantagens de limitação de resolução e interferência múltipla entre objetos, as câmeras com sensores TOF verão maiores avanços e melhorias com o desenvolvimento contínuo da tecnologia.
 
Embora existam fatores como correção óptica, deriva de temperatura e outros que afetam a precisão de profundidade no design de uma câmera de sensor de profundidade baseada em ToF, a Sinoseen, com mais de uma década de experiência em visão estereoscópica, está aqui para ajudá-lo ao máximo. Sinta-se à vontade para entre em Contato se você precisar de qualquer assistência.