Cámaras de detección de profundidad: ¿Cuántos tipos existen y cómo funcionan?

Los módulos de cámaras de detección de profundidad son ahora una tecnología clave en sistemas embebidos, robótica, automatización industrial y vehículos autónomos. Permiten que las máquinas "vean" el mundo en tres dimensiones, justo como lo hacemos los seres humanos. Las tecnologías de detección de profundidad, incluidas Time-of-Flight (ToF), LiDAR y cámaras de luz estructurada, proporcionan a las máquinas una percepción espacial precisa, permitiendo un alto grado de interactividad y automatización en diversas aplicaciones. Estas tecnologías están impulsando el desarrollo de campos como los vehículos autónomos, la navegación robótica, la automatización industrial y la realidad aumentada. Este artículo profundizará en cómo funcionan las cámaras de detección de profundidad, los diferentes tipos de tecnología y sus diversas aplicaciones en la tecnología moderna. En nuestros artículos anteriores, hemos introducido ToF y otras cámaras de mapeo 3D . Para más detalles, por favor refiérase a ellos.

Diferentes tipos de cámaras de detección de profundidad y sus principios básicos de implementación

Antes de entender cada tipo de cámara de detección de profundidad, primero debemos entender qué es la detección de profundidad.

¿Qué es la detección de profundidad?

La detección de profundidad es una técnica para medir la distancia entre un dispositivo y un objeto o la distancia entre dos objetos. Esto se puede lograr utilizando una cámara de detección de profundidad 3D, que detecta automáticamente la presencia de cualquier objeto cerca del dispositivo y mide la distancia al objeto en cualquier momento. Esta tecnología es beneficiosa para dispositivos que integran cámaras de detección de profundidad o aplicaciones móviles autónomas que toman decisiones en tiempo real midiendo distancias.

Entre las tecnologías de detección de profundidad utilizadas hoy en día, las tres más comunes son:
1. Luz estructurada
2. Visión estereoscópica
3. Tiempo de vuelo
1. Tiempo de vuelo directo (dToF)
1. LiDAR
2. Tiempo de vuelo indirecto (iToF)
Veamos con más detalle los principios de cada tecnología de detección de profundidad.

Luz estructurada

Las cámaras de luz estructurada calculan la profundidad y el contorno de un objeto proyectando un patrón de luz conocido, como láseres, LEDs, etc. (generalmente en forma de rayas) sobre el objeto objetivo y analizando la distorsión del patrón reflejado. Esta tecnología es excelente por su alta precisión y estabilidad bajo condiciones de iluminación controlada, pero generalmente se utiliza para escaneo y modelado 3D debido a su rango de operación limitado.

Visión estereotécnica

Las cámaras de visión estereoscópica funcionan de manera similar a la visión binocular humana, capturando imágenes mediante dos cámaras separadas por una cierta distancia y utilizando procesamiento de software para detectar y comparar puntos de referencia en las dos imágenes para calcular la información de profundidad. Esta tecnología es útil para aplicaciones en tiempo real en diversas condiciones de iluminación, como la automatización industrial y la realidad aumentada.

Cámara de tiempo de vuelo

El tiempo de vuelo (ToF) se refiere al tiempo que tarda la luz en recorrer una cierta distancia. Las cámaras de tiempo de vuelo utilizan este principio para estimar la distancia a un objeto en función del tiempo que tarda la luz emitida en reflejarse desde la superficie del objeto y regresar al sensor.
Hay tres componentes principales de una cámara de tiempo de vuelo:

1. Sensor ToF y módulo de sensor
2. Fuente de luz
3. Sensor de profundidad

ToF se puede dividir en dos tipos según el método utilizado por el sensor de profundidad para determinar la distancia: tiempo de vuelo directo (DToF) y tiempo de vuelo indirecto (iToF). Veamos con más detalle las diferencias entre estos dos tipos.

Tiempo de Vuelo Directo (dToF)

La tecnología de tiempo de vuelo directo (dToF) funciona midiendo directamente la distancia emitiendo pulsos láser infrarrojos y midiendo el tiempo que tardan estos pulsos en viajar desde el emisor hasta el objeto y volver.

los módulos de cámara dToF utilizan píxeles fotosensibles especiales, como diodos de avalancha de fotón único (SPAD, por sus siglas en inglés), para detectar aumentos repentinos de fotones en pulsos de luz reflejados, lo que permite calcular con precisión los intervalos de tiempo. Cuando un pulso de luz se refleja en un objeto, el SPAD detecta un pico repentino de fotones. Esto le permite rastrear los intervalos entre los picos de fotones y medir el tiempo.

las cámaras dToF suelen tener una resolución más baja, pero su pequeño tamaño y bajo precio las hacen ideales para aplicaciones que no requieren alta resolución y rendimiento en tiempo real.

El LIDAR

Dado que estamos hablando de usar pulsos láser de infrarrojos para medir distancias, hablemos de cámaras LiDAR.

Las cámaras LiDAR (Detección y Ranging de Luz) usan un transmisor láser para proyectar un patrón de luz raster a través de la escena que se está grabando y escanearlo de un lado a otro. La distancia se mide calculando el tiempo que tarda el sensor de la cámara en registrar el pulso de luz para llegar a un objeto y reflejarse de vuelta.

Los sensores LiDAR típicamente usan dos longitudes de onda de láseres infrarrojos: 905 nanómetros y 1550 nanómetros. Los láseres con longitudes de onda más cortas son menos propensos a ser absorbidos por el agua en la atmósfera y son más adecuados para mediciones a larga distancia. Por el contrario, los láseres infrarrojos con longitudes de onda más largas pueden ser utilizados en aplicaciones seguras para los ojos, como robots que operan alrededor de humanos.

Tiempo de Vuelo Indirecto (iToF)

A diferencia del tiempo de vuelo directo, las cámaras de tiempo de vuelo indirecto (iToF) calculan la distancia iluminando toda la escena con pulsos de láser modulados continuamente y registrando el desplazamiento de fase en los píxeles del sensor. Las cámaras iToF son capaces de capturar información de distancia para toda la escena a la vez. A diferencia de dToF, iToF no mide directamente el intervalo de tiempo entre cada pulso de luz.

Con una cámara iToF, la distancia a todos los puntos de una escena se puede determinar con solo un disparo.

Campos comunes de cámaras de detección de profundidad

• Vehículos autónomos: Las cámaras de detección de profundidad proporcionan a los vehículos autónomos las capacidades de percepción ambiental necesarias, permitiéndoles identificar y evitar obstáculos mientras realizan una navegación y planificación de ruta precisa.
• Seguridad y vigilancia: Las cámaras de detección de profundidad se utilizan en el campo de la seguridad para el reconocimiento facial, la monitorización de multitudes y la detección de intrusiones, mejorando la seguridad y la velocidad de respuesta.
• Realidad aumentada (RA): La tecnología de detección de profundidad se utiliza en aplicaciones de realidad aumentada para superponer imágenes virtuales de manera precisa sobre el mundo real, proporcionando a los usuarios una experiencia inmersiva.

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