Câmeras de detecção de profundidade: Quantos tipos existem e como elas funcionam?

Módulos de câmeras de detecção de profundidade são agora uma tecnologia-chave em sistemas embarcados, robótica, automação industrial e veículos autônomos. Eles permitem que máquinas "vejam" o mundo em três dimensões, assim como nós, humanos, fazemos. Tecnologias de detecção de profundidade, incluindo Tempo-de-Voo (ToF), LiDAR e câmeras de luz estruturada, fornecem às máquinas uma percepção espacial precisa, permitindo um alto grau de interatividade e automação em várias aplicações. Essas tecnologias estão impulsionando o desenvolvimento de campos como veículos autônomos, navegação robótica, automação industrial e realidade aumentada. Este artigo mergulhará profundamente em como as câmeras de detecção de profundidade funcionam, os diferentes tipos de tecnologia e suas diversas aplicações na tecnologia moderna. Em nossos artigos anteriores, nós apresentamos ToF e outras câmeras de mapeamento 3D . Para mais detalhes, por favor, consulte-os.

Diferentes tipos de câmeras de detecção de profundidade e seus princípios básicos de implementação

Antes de entender cada tipo de câmera de sensoriamento de profundidade, vamos primeiro entender o que é sensoriamento de profundidade.

O que é sensoriamento de profundidade?

Sensoriamento de profundidade é uma técnica para medir a distância entre um dispositivo e um objeto ou a distância entre dois objetos. Isso pode ser feito usando uma câmera de sensoriamento de profundidade 3D, que detecta automaticamente a presença de qualquer objeto próximo ao dispositivo e mede a distância até o objeto a qualquer momento. Essa tecnologia é benéfica para dispositivos que integram câmeras de sensoriamento de profundidade ou aplicações móveis autônomas que tomam decisões em tempo real medindo distâncias.

Entre as tecnologias de sensoriamento de profundidade usadas hoje, as três mais comumente utilizadas são:
1. Luz estruturada
2. Visão estereoscópica
3. Tempo de voo
1. Tempo de voo direto (dToF)
1. LiDAR
2. Tempo de voo indireto (iToF)
Vamos dar uma olhada mais detalhada nos princípios de cada tecnologia de sensoriamento de profundidade.

LIGUE STRUTURADA

Câmeras de luz estruturada calculam a profundidade e o contorno de um objeto projetando um padrão de luz conhecido, como lasers, LEDs, etc. (geralmente na forma de listras), sobre o objeto alvo e analisando a distorção do padrão refletido. Essa tecnologia é excelente pela sua alta precisão e estabilidade em condições de iluminação controlada, mas geralmente é usada para digitalização e modelagem 3D devido ao seu alcance operacional limitado.

VISÃO STERÉICO

Câmeras de visão estéreo funcionam de maneira semelhante à visão binocular humana, capturando imagens por meio de duas câmeras a uma certa distância e usando processamento de software para detectar e comparar pontos de referência nas duas imagens para calcular informações de profundidade. Essa tecnologia é útil para aplicações em tempo real em várias condições de iluminação, como automação industrial e realidade aumentada.

Câmera de voo temporal

Tempo de voo (ToF) refere-se ao tempo que a luz leva para viajar uma certa distância. Câmeras de tempo de voo usam esse princípio para estimar a distância a um objeto com base no tempo que leva para a luz emitida se refletir na superfície do objeto e retornar ao sensor.
Existem três componentes principais de uma câmera de tempo-de-voo:

1. Sensor ToF e módulo de sensor
2. Fonte de luz
3. Sensor de profundidade

ToF pode ser dividido em dois tipos com base no método usado pelo sensor de profundidade para determinar a distância: tempo de voo direto (DToF) e tempo de voo indireto (iToF). Vamos dar uma olhada mais detalhada nas diferenças entre esses dois tipos.

Tempo de Voo Direto (dToF)

A tecnologia de tempo de voo direto (dToF) funciona medindo diretamente a distância emitindo pulsos de laser infravermelho e medindo o tempo que esses pulsos levam para viajar do emissor até o objeto e voltar.

módulos de câmera dToF usam pixels sensíveis à luz especiais, como diodos avalancha de fotão único (SPADs), para detectar aumentos súbitos de fótons em pulsos de luz refletida, permitindo o cálculo preciso de intervalos de tempo. Quando um pulso de luz é refletido por um objeto, o SPAD detecta um pico súbito de fótons. Isso permite que ele rastreie os intervalos entre picos de fótons e meça o tempo.

câmeras dToF geralmente têm resolução mais baixa, mas seu tamanho pequeno e preço baixo as tornam ideais para aplicações que não exigem alta resolução e desempenho em tempo real.

Lidar

Como estamos falando sobre usar pulsos de laser infravermelho para medir distância, vamos falar sobre câmeras LiDAR.

Câmeras LiDAR (Detecção e Ranging por Luz) usam um transmissor a laser para projetar um padrão de luz raster pela cena sendo gravada e varrê-lo de um lado para o outro. A distância é medida calculando o tempo que leva para o sensor da câmera registrar o pulso de luz atingir um objeto e refletir de volta para si mesmo.

Sensores LiDAR geralmente utilizam duas comprimentos de onda de lasers infravermelhos: 905 nanômetros e 1550 nanômetros. Lasers com comprimentos de onda mais curtos são menos propensos a serem absorvidos pela água na atmosfera e são mais adequados para medições de longo alcance. Por outro lado, lasers infravermelhos com comprimentos de onda mais longos podem ser usados em aplicações seguras para os olhos, como robôs operando ao redor de humanos.

Tempo de Voo Indireto (iToF)

Ao contrário do tempo de voo direto, câmeras de tempo de voo indireto (iToF) calculam a distância iluminando toda a cena com pulsos de laser modulados continuamente e registrando o deslocamento de fase nos pixels do sensor. Câmeras iToF são capazes de capturar informações de distância para toda a cena de uma só vez. Ao contrário do dToF, o iToF não mede diretamente o intervalo de tempo entre cada pulso de luz.

Com uma câmera iToF, a distância de todos os pontos em uma cena pode ser determinada com apenas um disparo.

Campos comuns de câmeras de sensoriamento de profundidade

• Veículos autônomos: Câmeras de sensoriamento de profundidade fornecem aos veículos autônomos as capacidades de percepção ambiental necessárias, permitindo que eles identifiquem e evitem obstáculos enquanto realizam navegação precisa e planejamento de trajetória.
• Segurança e vigilância: Câmeras de sensoriamento de profundidade são usadas no campo de segurança para reconhecimento facial, monitoramento de multidões e detecção de intrusão, melhorando a segurança e a velocidade de resposta.
• Realidade aumentada (RA): A tecnologia de sensoriamento de profundidade é usada em aplicações de realidade aumentada para sobrepor imagens virtuais com precisão ao mundo real, proporcionando aos usuários uma experiência imersiva.

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