Che cos'è un sensore del tempo di volo e come funziona ToF?

Man mano che gli smartphone diventano più avanzati, racchiudono anche una quantità sempre maggiore di sensori che restituiscono i dati al dispositivo per migliorare l'esperienza dell'utente.

Gli smartphone moderni hanno sensori di impronte digitali in-display, LiDAR, sensori della fotocamera migliori e più grandi che mai e, su alcuni dispositivi, anche sensori Time of Flight (ToF). Ma tra tutti i diversi sensori che vedrai sul tuo telefono, il sensore ToF spicca, soprattutto perché influenza le cose che facciamo sui nostri smartphone in un modo molto particolare e inosservato.

Che cos'è un sensore del tempo di volo (ToF)?

Un sensore Time of Flight (ToF), chiamato anche fotocamera ToF, è un sensore specializzato che misura il profondità o distanza da un oggetto emettendo un raggio di luce a infrarossi e misurando il tempo ritorna. Da qui il nome, Time of Flight.

Questo è molto simile alle fotocamere LiDAR presenti sulla linea iPhone Pro e persino su alcuni sistemi di rilevamento facciale per smartphone (incluso iPhone), dove il dispositivo crea una mappa a infrarossi del volto del proprietario e la utilizza come riferimento rispetto alla persona che sta vedendo per determinare se sbloccare il dispositivo o non. Detto ciò,

I sensori ToF e LiDAR hanno le loro differenze.

Anche usare la luce riflessa (o il suono) per misurare la distanza non è un'idea nuova. Dispositivi simili come i sensori a ultrasuoni e IR sono in circolazione da molto più tempo, fornendo essenzialmente la stessa funzionalità, anche se con molti meno dettagli. I vantaggi di un sensore ToF includono misurazioni precise e veloci, una portata più lunga e sicurezza d'uso.

Rispetto ad altre tecnologie di misurazione della profondità 3D, i sensori ToF sono relativamente economici da produrre e utilizzare. Inoltre, non richiedono molta potenza di elaborazione, il che li rende ideali per casi d'uso come gli smartphone, in cui conoscere la profondità di un particolare oggetto può aiutare a facilitare funzioni come la modalità verticalee la potenza di elaborazione è un premio.

I sensori ToF sono realizzati da vari produttori, tra cui Sony, che fornisce ad Apple sensori 3D utilizzando la tecnologia ToF. Altri famosi produttori di sensori ToF includono TeraRanger One, Lucid, Adafruit e ASC TigerCub.

Come funziona un sensore del tempo di volo (ToF)?

Come accennato in precedenza, i sensori ToF utilizzano la luce infrarossa per misurare la distanza di un oggetto dal sensore. Un minuscolo laser a infrarossi spara luce, che rimbalza su un oggetto e ritorna al sensore. Il sensore può misurare con precisione la distanza di un oggetto misurando il tempo impiegato dalla luce per rimbalzare e tornare alla fotocamera.

Poiché conosciamo già la velocità della luce e il fatto che percorre esattamente il doppio della distanza tra il sensore e l'oggetto, diventa semplice capire la distanza usando una base formula:

(Velocità della luce x Tempo di volo)/2

Alcune fotocamere ToF possono anche utilizzare onde continue per rilevare gli sfasamenti nella luce riflessa per determinare sia la profondità che la distanza. Ancora una volta, a seconda del tipo di sensore che stai utilizzando, potresti essere in grado di estrarre molte informazioni. Questo può essere utilizzato per creare mappe 3D dei dintorni del sensore.

Dove vengono utilizzati i sensori ToF?

Come accennato, i sensori ToF sono stati utilizzati in molti smartphone come fotocamera di "profondità" per aiutare la fotocamera principale del dispositivo a produrre foto in modalità verticale di qualità superiore. Queste foto mirano a creare una profondità di campo ridotta per replicare l'obiettivo di una fotocamera. Poiché conoscere la profondità di diversi oggetti in tali foto è fondamentale per ottenere la giusta sfocatura dello sfondo, le fotocamere e i sensori ToF possono fare la differenza.

Inoltre, le fotocamere ToF vengono utilizzate anche nell'autenticazione biometrica, in cui un dispositivo con una fotocamera ToF può creare una mappa 3D di un volto da utilizzare come riferimento per sbloccare il dispositivo. Questo è essenzialmente come la tecnologia di sblocco facciale funziona, incluso il Face ID di Apple. È anche più sicuro rispetto al semplice confronto di due immagini per determinare una corrispondenza, in quanto vi sono più dati con cui lavorare rispetto al tradizionale visione computerizzata algoritmi che operano su dati 2D.

Sono comunemente utilizzati nelle auto elettriche e in altri sistemi di navigazione grazie alle loro capacità di rilevamento degli oggetti e all'elevata frequenza di polling, che può essere di quasi 160 Hz su alcuni sensori. Questo li rende perfetti per applicazioni in tempo reale come il rilevamento di oggetti, la navigazione e persino la sfocatura dello sfondo durante le chiamate Zoom.

Questa capacità di distinguere tra soggetto e sfondo viene spesso applicata anche alla stampa 3D. Le fotocamere ToF possono facilmente replicare un oggetto reale in tutte e tre le dimensioni, risparmiandoti il ​​fastidio di progettarlo da zero, soprattutto se si tratta di una struttura complessa.

I sensori ToF aiutano anche nell'imaging 3D e migliorano le esperienze AR oltre alla scansione di oggetti, alla navigazione gestuale e alla navigazione interna.

Puoi trovare sensori ToF su Xbox Kinect di Microsoft e altri progetti di riconoscimento dei gesti, droni e visori AR. Nel complesso, la loro versatilità significa che i loro casi d'uso vanno da qualsiasi luogo, da una suite di fotocamere per smartphone al sistema di navigazione di un'auto autonoma.

Hai bisogno di una fotocamera ToF sul tuo telefono?

Non proprio.

La fotografia computazionale ha fatto molta strada e la maggior parte degli smartphone moderni dispone di un software abbastanza buono da separare completamente il soggetto dallo sfondo utilizzando il software. Inoltre, quando si tratta di fotografia da smartphone, il numero di megapixel e le dimensioni del sensore della fotocamera possono fare una differenza molto maggiore.

Mentre c'è stato un tempo in cui le fotocamere ToF erano comunemente viste sugli smartphone di punta, ora si trovano principalmente su dispositivi di fascia media o sulla linea iPhone Pro sotto forma di sensori LiDAR, un concetto che funziona sul Time of Flight principio.

Tuttavia, avere una fotocamera ToF sul telefono a volte può tornare utile, soprattutto in termini di autenticazione biometrica. Può anche fornire un'utilità di misurazione della distanza integrata nel telefono e fornire più dati di profondità a il software di fotografia computazionale in esecuzione sul tuo telefono, con conseguente modalità verticale ancora migliore scatti.

Conosci i tuoi sensori

Gli smartphone vengono riempiti con sempre più sensori per rendere la tua esperienza ancora migliore. Una fotocamera ToF è solo un altro di quei sensori sul tuo telefono che non possono essere utilizzati direttamente ma possono fare una grande differenza per molte altre funzionalità.