TOF 카메라란?

TOF(Time-of-flight) 카메라는 빛의 비행시간을 측정하여 물체와의 거리를 시각화하는 카메라입니다.

대상물과의 거리 측정에 사용되는 것은 주로 적외선입니다. 조사된 적외선이 물체에서 되돌아오는 시간을 측정하고, 이 시간으로 거리를 계산합니다.

일반 카메라로는 대상물의 2차원적인 정보만 얻을 수 있는 반면, TOF 카메라로 촬영한 이미지에는 깊이 정보가 포함되어 있어 3차원적인 정보를 얻을 수 있습니다. 카메라처럼 영상으로 정보를 얻는 방법을 ‘3D-TOF’, 단순히 거리만 알 수 있는 방법을 ‘1D-TOF’라고 합니다.

TOF 카메라의 사용 용도

TOF 카메라는 아래와 같이 산업, 의료 등 다양한 분야에서 이용되고 있습니다.

1. 인물 및 형상 인식

TOF 카메라는 인물 및 형상 인식으로 활용되고 있습니다. 병원 내 환자의 움직임을 TOF 카메라로 인식하여 환자를 지켜볼 때 유용하게 쓰입니다. 또한, 매장에 설치하여 사람의 움직임을 추적하고 인원을 계수할 때에도 활용할 수 있습니다.

이 밖에도 TOF 카메라는 자동차의 자율주행에도 사용됩니다. 자동차가 보행자를 충돌하지 않도록 TOF 카메라로 보행자를 감지할 수 있습니다.

2. 물체 감지 및 안전 감시

공장 등 생산 현장에서는 물체 감지 및 안전 감시 목적으로 TOF 카메라가 활용되고 있습니다. 산업용 로봇이나 운반 장비에 장착하여 물체의 침입을 감지할 수 있습니다.

또한, 프레스기나 로봇 등 위험요소에 TOF 카메라를 설치하면 접근하는 것이 운반 중인 물체인지 사람인지 구분할 수 있습니다. 농작물 관측으로 활용할 경우, 크기와 모양을 측정하여 수확 시기를 판단하는 데 도움이 될 수 있습니다.

3. 스마트폰에 활용

TOF 방식 거리 이미지 센서의 스마트폰 활용이 진행되고 있는데, TOF 방식 거리 이미지 센서를 스마트폰에 탑재하면 플레이어의 신체 동작을 정밀하게 포착해 게임 내 반영할 수 있으며, VR이나 AR에서의 활용도 기대되고 있습니다.

또한, 전자상거래 사이트에서 물건을 사고 팔 때, 물건의 치수를 즉시 측정해 표시할 수 있게 됩니다. 이외에도 TOF 카메라는 스마트폰 로그인 시 얼굴 인증 기능에도 활용되고 있습니다.

얼굴의 형태를 TOF 카메라로 식별하여 얼굴 인증 기능을 구현합니다. 일반 카메라와 달리 소유자의 얼굴 사진을 사용해도 단순한 평면으로 인식하기 때문에 TOF 카메라를 탑재하면 명의도용을 방지할 수 있습니다.

TOF 카메라의 원리

TOF 카메라 카메라는 주로 렌즈, 빛을 감지하는 검출기와 이에 동기화되는 광원으로 구성됩니다. 탑재된 광원에서 조사된 기준광을 대상물에서 반사시켜 검출기에 도달하기까지의 시간(비행시간, 영문: Time of Flight)을 측정합니다.

빛의 속도는 약 30만 km/s로 불변의 상수입니다. 따라서 대상 입자의 거리는 양자의 곱의 절반임을 알 수 있습니다.

TOF 카메라의 종류

비행시간 측정 방법은 크게 직접 TOF법과 간접 TOF법 두 가지로 나뉩니다.

1. 직접 TOF법

직접 TOF법은 기준광으로 펄스광을 조사하여 반사광의 펄스를 검출하는 방식입니다. 조사에서 검출까지의 시간을 직접 측정하여 비행시간을 측정하는 방법입니다.

기준광의 조사와 동시에 측정용 회로 내부에서 알려진 폭과 주기를 가진 측정용 펄스 전류를 발생시킵니다. 측정용 펄스 전류와 반사광에 의해 검출기에서 펄스 전류가 발생하는 시간과의 차이로 비행시간을 측정할 수 있습니다.

2. 간접 TOF법

간접 TOF법은 기준광과의 위상차로부터 거리를 구하는 방법입니다. 광원에서 나오는 연속파의 진폭을 변조하여 주파수가 알려진 정현파를 생성합니다.

이를 기준광으로 대상물에 조사하여 대상물에서 반사되는 빛의 위상차를 검출합니다. 위상 편차는 정현파의 주파수를 이용하여 시간차로 변환할 수 있습니다. 이를 통해 비행 시간을 계산할 수 있습니다.

구체적으로는 기준광의 1주기에 대해 반사광의 강도를 4번 측정합니다. 이를 이산 푸리에 변환하여 기준광과의 위상차를 구할 수 있습니다.

TOF 카메라의 기타 정보

TOF 카메라의 장점

TOF 방식의 장점으로는 소형이고, CPU 부하가 적으며, 어두운 곳에서도 사용할 수 있다는 점을 들 수 있습니다. 각각의 장점은 다음과 같습니다.

1. 어두운 곳에서도 사용 가능하다.
TOF 카메라는 가시광선이 아닌 적외선을 이용하기 때문에 어두운 곳에서도 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 주변에 광원이 전혀 없는 상황에서도 사물의 입체적인 정보를 얻을 수 있습니다.

2. 소형으로 CPU 부하가 적다.
TOF 카메라는 단순한 장치 구성을 가지고 있기 때문에 구조화된 조명 방식에 비해 소형화가 가능합니다. 또한, CPU 부하가 적다는 점도 매력적입니다.

제조 현장에서 사용되는 생산 장비에 TOF 방식의 센서를 탑재할 경우, CPU 부하가 적으면 지연이 발생할 위험을 줄일 수 있어 안정적인 생산 시스템을 구축할 수 있습니다.

3. 저렴한 제품도 있다.
TOF 방식의 카메라는 고가의 제품만 있는 것이 아니라, 사양의 차이에 따라 저렴한 제품도 있습니다. 사양에 따라 TOF 카메라의 가격은 크게 차이가 나기 때문에 구매 전 필요한 사양과 비교하여 검토하는 것이 좋습니다.