깊이 감지 카메라: 몇 가지 유형이 있으며 어떻게 작동하나요?

깊이 감지 카메라 모듈은 이제 임베디드 시스템, 로보틱스, 산업 자동화 및 자율 주행 차량에서 핵심 기술이 되었습니다. 이들은 기계가 우리 인간처럼 세 가지 차원으로 세상을 '보는' 것을 가능하게 합니다. Time-of-Flight (ToF), LiDAR, 구조화된 빛 카메라와 같은 깊이 감지 기술들은 기계에게 정확한 공간 인식 능력을 제공하여 다양한 응용 분야에서 높은 수준의 상호 작용과 자동화를 가능하게 합니다. 이러한 기술들은 자율 주행 차량, 로봇 네비게이션, 산업 자동화, 증강 현실 등의 분야 발전을 이끌고 있습니다. 본 문서에서는 깊이 감지 카메라의 작동 방식, 다양한 기술 유형 및 현대 기술에서의 다양한 응용에 대해 심도 있게 살펴보겠습니다. 이전 문서들에서는 toF와 다른 3D 매핑 카메라를 소개했습니다 . 더 자세한 내용은 해당 문서들을 참조하시기 바랍니다.

다양한 종류의 깊이 감지 카메라와 그 기본 구현 원리

각 종류의 깊이 센싱 카메라를 이해하기 전에, 먼저 깊이 센싱이 무엇인지 알아보겠습니다.

깊이 센싱이란 무엇인가요?

깊이 센싱은 장치와 객체 간 거리 또는 두 객체 간 거리를 측정하는 기술입니다. 이는 3D 깊이 센싱 카메라를 사용하여 이루어질 수 있으며, 이 카메라는 장치 근처의 모든 객체를 자동으로 감지하고 필요 시 객체까지의 거리를 측정합니다. 이 기술은 깊이 센싱 카메라를 통합한 장치나 실시간 거리 측정을 통해 결정을 내리는 자율 이동 애플리케이션에 유용합니다.

현재 사용되는 깊이 센싱 기술 중 가장 일반적으로 사용되는 세 가지는 다음과 같습니다:
1. 구조화된 빛
2. 스테레오 비전
3. 비행 시간
1. 직접 비행 시간 (dToF)
1. LiDAR
2. 간접 비행 시간 (iToF)
각 깊이 감지 기술의 원리를 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.

구조화된 빛

구조화된 빛 카메라는 레이저나 LED 등 (일반적으로 줄무늬 형태로) 알려진 빛 패턴을 대상 물체에 투영하고, 반사된 패턴의 왜곡을 분석하여 물체의 깊이와 윤곽을 계산합니다. 이 기술은 제어된 조명 조건에서 높은 정확도와 안정성을 제공하지만, 작동 범위가 제한되어 있어 일반적으로 3D 스캐닝 및 모델링에 사용됩니다.

스테레오 비전

스테레오 비전 카메라는 두 개의 일정한 거리에 있는 카메라를 통해 이미지를 캡처하고, 소프트웨어 처리를 통해 두 이미지의 특징점들을 감지하고 비교하여 깊이 정보를 계산합니다. 이 기술은 산업 자동화나 증강 현실과 같은 다양한 조명 조건에서 실시간 응용에 유용합니다.

비행 시간 카메라

비행 시간(ToF)은 빛이 특정 거리를 이동하는 데 걸리는 시간을 의미합니다. 비행 시간 카메라는 물체로부터 반사된 빛이 센서에 돌아오는 데 걸리는 시간을 기반으로 거리를 추정합니다.
비행 시간 카메라에는 주요 세 가지 구성 요소가 있습니다:

1. ToF 센서 및 센서 모듈
2. 광원
3. 깊이 센서

깊이 센서가 거리를 결정하기 위해 사용하는 방법에 따라 ToF는 직접 비행 시간(dToF)과 간접 비행 시간(iToF)으로 나눌 수 있습니다. 이제 이 두 유형의 차이를 자세히 살펴보겠습니다.

직접 비행 시간(dToF)

직접 비행 시간(dToF) 기술은 적외선 레이저 펄스를 방출하고 이러한 펄스가 발신기에서 물체까지 가서 다시 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정하여 거리를 직접 측정하는 방식으로 작동합니다.

dToF 카메라 모듈은 단일 광자 소용돌이 다이오드(SPAD)와 같은 특수 광 감응 픽셀을 사용하여 반사된 빛 펄스에서 광자의 갑작스러운 증가를 탐지하여 시간 간격을 정확히 계산할 수 있습니다. 빛 펄스가 물체에서 반사되면 SPAD는 광자에서 갑작스러운 피크를 감지합니다. 이는 광자 피크 사이의 간격을 추적하고 시간을 측정할 수 있게 합니다.

dToF 카메라는 일반적으로 낮은 해상도를 가지고 있지만, 그들의 작은 크기와 저렴한 가격은 고해상도와 실시간 성능이 필요하지 않은 응용 프로그램에 이상적입니다.

리다르

우리가 적외선 레이저 펄스를 사용하여 거리를 측정하는 것에 대해 논의하고 있으니, LiDAR 카메라에 대해 이야기해 보겠습니다.

LiDAR (광학적 탐지 및 거리 측정) 카메라는 레이저 송신기를 사용하여 기록되는 장면에 격자형 빛 패턴을 투사하고 이를 앞뒤로 스캔합니다. 거리는 카메라 센서가 빛 펄스를 객체에 도달하게 하고 다시 자신에게 반사되는데 걸리는 시간을 계산하여 측정됩니다.

LiDAR 센서는 일반적으로 905나노미터와 1550나노미터의 두 가지 적외선 레이저 파장을 사용합니다. 더 짧은 파장의 레이저는 대기 중의 물에 의해 흡수될 가능성이 적어 장거리 측정에 더 적합합니다. 반면, 긴 파장의 적외선 레이저는 인간 주변에서 작동하는 로봇과 같은 안전한 응용 프로그램에 사용할 수 있습니다.

간접 비행시간(iToF)

직접 비행시간과 달리, 간접 비행시간(iToF) 카메라는 전체 장면을 연속적으로 변조된 레이저 펄스로 조명하고 센서 픽셀에서의 위상 차이를 기록하여 거리를 계산합니다. iToF 카메라는 한 번의 촬영으로 전체 장면의 거리 정보를 포착할 수 있습니다. dToF와 달리 iToF는 각 빛 펄스 사이의 시간 간격을 직접 측정하지 않습니다.

IToF 카메라를 사용하면 단일 샷으로 장면 내 모든 점까지의 거리를 결정할 수 있습니다.

깊이 센싱 카메라의 일반적인 필드

• 자율 주행 차량: 깊이 센싱 카메라는 자율 주행 차량에 필요한 환경 인식 능력을 제공하여 장애물 식별 및 회피, 정확한 내비게이션 및 경로 계획을 수행할 수 있도록 합니다.
• 보안 및 감시: 깊이 센싱 카메라는 얼굴 인식, 군중 모니터링, 침입 탐지에 사용되어 보안 분야에서 안전성과 대응 속도를 향상시킵니다.
• 증강 현실(AR): 깊이 센싱 기술은 증강 현실 애플리케이션에서 가상 이미지를 실제 세계에 정확히 겹쳐 표시하는 데 사용되어 사용자에게 몰입감 있는 경험을 제공합니다.

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