Was ist eine TOF-Kamera?
Eine TOF-Kamera (Time-of-Flight) ist eine Kamera, die die Entfernung zu einem Objekt durch Messung der Lichtlaufzeit sichtbar macht.
Infrarotlicht wird hauptsächlich zur Messung der Entfernung zu einem Objekt verwendet. Es wird die Zeit gemessen, die das eingestrahlte Infrarotlicht benötigt, um vom Objekt zurückzukehren, und aus dieser Zeit wird die Entfernung berechnet.
Während eine normale Kamera nur zweidimensionale Informationen über ein Objekt liefern kann, enthält das von einer TOF-Kamera aufgenommene Bild Tiefeninformationen, so dass es möglich ist, dreidimensionale Informationen zu erhalten. Die Methode der Informationsgewinnung mit Hilfe von Bildern, wie bei Kameras, wird als 3D-TOF bezeichnet, während die Methode der einfachen Entfernungsbestimmung als 1D-TOF bezeichnet wird.
Anwendungen von TOF-Kameras
TOF-Kameras haben eine Vielzahl von Anwendungen in der Industrie, der Medizin und anderen Bereichen, darunter:
1. Personen- und Formerkennung
TOF-Kameras werden zur Personen- und Formerkennung eingesetzt. TOF-Kameras können zur Erkennung der Bewegungen von Patienten in Krankenhäusern eingesetzt werden und helfen bei deren Überwachung. Sie können auch in Geschäften installiert werden, um die Bewegungen von Personen zu verfolgen und bei der Zählung der Personenanzahl eingesetzt werden.
Weitere Einsatzgebiete von TOF-Kameras sind die Autoautomatisierung. Um zu verhindern, dass Fahrzeuge mit Fußgängern zusammenstoßen, können TOF-Kameras zur Erkennung von Fußgängern eingesetzt werden.
2. Objekterkennung und Sicherheitsüberwachung
TOF-Kameras werden zur Objekterkennung und Sicherheitsüberwachung in Fabriken und anderen Produktionsstätten eingesetzt. Wenn sie an Industrierobotern und Transportgeräten angebracht sind, können TOF-Kameras das Eindringen von Objekten erkennen.
Werden TOF-Kameras an Pressen, Robotern und anderen Gefahrenquellen installiert, können sie auch erkennen, ob es sich bei dem sich nähernden Objekt um ein Transportgut oder eine Person handelt. Bei der Beobachtung von landwirtschaftlichen Nutzpflanzen kann durch die Messung von Größe und Form festgestellt werden, wann die Pflanzen erntereif sind.
3. Einsatz in Smartphones
TOF-basierte Entfernungsbildsensoren werden zunehmend in Smartphones eingesetzt, wo sie die physischen Bewegungen des Spielers genau erfassen und in Spielen wiedergeben können, und es wird erwartet, dass sie auch in VR und AR eingesetzt werden.
Sie ermöglichen auch die sofortige Messung und Anzeige der Abmessungen eines Objekts beim Kauf oder Verkauf auf einer E-Commerce-Website. An anderer Stelle werden TOF-Kameras auch für die Gesichtserkennungsfunktion beim Einloggen in ein Smartphone verwendet.
Die TOF-Kamera identifiziert die Form des Gesichts, um die Gesichtserkennungsfunktion zu ermöglichen. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Kameras kann eine TOF-Kamera auch eine Nachahmung verhindern, da sie das Gesicht des Besitzers als bloße flache Oberfläche erkennt, selbst wenn ein Foto des Gesichts des Besitzers verwendet wird.
Funktionsweise der TOF-Kamera
Eine TOF-Kamera besteht im Wesentlichen aus einem Objektiv, einem Detektor, der Licht erfasst, und einer Lichtquelle, die sich mit ihm synchronisiert. Das von der eingebauten Lichtquelle ausgesandte Referenzlicht wird vom Objekt reflektiert, und die Zeit, die das Licht benötigt, um den Detektor zu erreichen (Lichtlaufzeit), wird gemessen.
Die Lichtgeschwindigkeit beträgt etwa 300 000 km/s und ist eine unveränderliche Konstante. Die Entfernung des Objektkorns ist daher die Hälfte des Produkts der beiden Werte.
Arten von TOF-Kameras
Es gibt zwei Haupttypen von Lichtlaufzeitmessverfahren: direkte TOF und indirekte TOF.
1. Direkte TOF-Methode
Bei der direkten TOF-Methode wird gepulstes Licht als Referenzlicht eingestrahlt und die reflektierten Lichtpulse werden erfasst. Bei dieser Methode wird die Laufzeit durch direkte Messung der Zeit von der Bestrahlung bis zur Detektion gemessen.
Gleichzeitig mit der Einstrahlung des Referenzlichts wird im Messkreis ein Messimpulsstrom mit bekannter Breite und Periode erzeugt. Die Laufzeit kann aus der Differenz zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Pulsstrom am Detektor durch den Messpulsstrom erzeugt wird, und dem reflektierten Licht gemessen werden.
2. Indirekte TOF-Methode
Bei der indirekten TOF-Methode wird die Entfernung aus der Phasenverschiebung mit einem Referenzlicht bestimmt. Die Amplitude der von der Lichtquelle ausgestrahlten Dauerstrichwelle wird moduliert, um eine Sinuswelle mit bekannter Frequenz zu erzeugen.
Diese wird als Referenzlicht auf das Objekt gestrahlt, und die Phasenverschiebung des vom Objekt reflektierten Lichts wird erfasst. Die Phasenverschiebung kann mit Hilfe der Frequenz der Sinuswelle in eine Zeitdifferenz umgerechnet werden. Daraus lässt sich die Flugzeit berechnen.
Konkret wird die Intensität des reflektierten Lichts viermal für eine Periode des Referenzlichts gemessen. Durch diskrete Fourier-Transformation kann die Phasenverschiebung zum Referenzlicht bestimmt werden.
Weitere Informationen zu TOF-Kameras
Vorteile von TOF-Kameras
Zu den Vorteilen der TOF-Methode gehören ihre geringe Größe, die niedrige CPU-Belastung und die Möglichkeit, sie an dunklen Orten einzusetzen. Die jeweiligen Vorteile werden im Folgenden beschrieben:
1. Kann an dunklen Orten eingesetzt werden
Der Vorteil von TOF-Kameras besteht darin, dass sie im Dunkeln eingesetzt werden können, da sie Infrarotlicht anstelle von sichtbarem Licht verwenden. Dreidimensionale Informationen über Objekte können auch dann gewonnen werden, wenn es in der Umgebung überhaupt keine Lichtquelle gibt.
2. Geringe Größe und niedrige CPU-Belastung
TOF-Kameras haben eine einfache Gerätekonfiguration, die es ihnen ermöglicht, kleiner zu sein als Systeme mit strukturiertem Licht. Ein weiteres attraktives Merkmal ist die geringe CPU-Last.
Wenn man die Integration von TOF-basierten Sensoren in Produktionsanlagen in Betracht zieht, verringert eine geringe CPU-Belastung das Risiko von Verzögerungen und ermöglicht den Aufbau stabiler Produktionssysteme.
3. Kostengünstige Produkte verfügbar
TOF-Kameras sind nicht nur teure Produkte, sondern je nach Spezifikation auch kostengünstige Produkte. Da der Preis von TOF-Kameras je nach Spezifikation stark schwankt, ist es ratsam, vor dem Kauf den Preis mit den gewünschten Spezifikationen zu vergleichen.