ما هي كاميرا TOF؟ وكيف تعمل؟

تقنية TOF ثلاثية الأبعادCأميرا

صُممت كاميرا TOF ثلاثية الأبعاد باستخدام أحدث تقنيات التصوير ثلاثي الأبعاد. تُعد كاميرا TOF (زمن الرحلة) للعمق جيلاً جديداً من منتجات تقنية كشف المسافة والتصوير ثلاثي الأبعاد. فهي تُرسل نبضات ضوئية بشكل متواصل إلى الهدف، ثم تستخدم المستشعر لاستقبال الضوء المُرتد من الجسم، وتحصل على بُعد الهدف من خلال قياس زمن انتقال النبضة الضوئية (ذهاباً وإياباً).

تستخدم كاميرات TOF عادةً طريقة زمن الرحلة في قياس المسافة، أي عند استخدام الموجات فوق الصوتية، وما إلى ذلك، يجب القياس لفهم المسافة بشكل أفضل. يمكن إجراء قياس المسافة هذا من خلال حزم الضوء، لذا فإن مزاياها في الاستخدام العملي واضحة للغاية. عند استخدام هذه الكاميرا، يمكن قياس الحجم عن طريق التصوير، وهو أمر مريح للغاية. وتعتمد هذه الطريقة على انعكاس الضوء، حيث يمكن معرفة المسافة بحساب زمن العودة، ويمكن الحصول على إدراك أدق من خلال المستشعر. ميزة استخدام هذا النوع من الكاميرات واضحة للغاية. ليس فقط لأن عدد البكسلات أعلى، بل إن إضافة هذا المستشعر تجعل الحصول على خريطة الحجم أكثر واقعية، ولا حاجة لأجزاء متحركة، ويمكن الحصول على نتائج أفضل بمجرد القياس. إنها مفيدة للغاية في التطبيقات العملية، سواء كان ذلك لتحديد المواقع أو القياس، فبمجرد امتلاكك لهذا النوع من الكاميرات، يمكنك أن تصبح عيونًا للعديد من الآلات والمعدات أثناء التشغيل الفعلي، وإكمال التشغيل الآلي بشكل كامل.

تستطيع كاميرات TOF تجنب العوائق تلقائيًا أثناء الاستخدام. وبفضل أدائها الاستشعاري، يُمكن تحقيق الأتمتة بكفاءة عالية، وتتجلى مزايا استخدام هذه الكاميرا بوضوح. فهي لا تقتصر على معرفة الحجم والمعلومات في الوقت المناسب فحسب، بل تُسهم أيضًا في تحسين كفاءة عمليات مناولة البضائع، وتسريع وتيرة تحسين الأداء، وتحقيق مزايا كبيرة في قياس المسافة وعرض الصور. وتُقدم هذه الكاميرا نتائج أفضل، ومن خلال التشغيل النبضي، يُمكن تحديد الهدف بدقة متناهية، ليس فقط من خلال التتبع، بل أيضًا من خلال إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد للصورة، ما يُضفي عليها دقة عالية جدًا.

كيفTOFالكاميرات تعمل

تستخدم كاميرات TOF خاصية الكشف النشط عن الضوء، وعادةً ما تتضمن الأجزاء التالية:

1. وحدة التشعيع

تحتاج وحدة الإشعاع إلى تعديل نبضات مصدر الضوء قبل إطلاقه، وقد يصل تردد نبضات الضوء المعدلة إلى 100 ميجاهرتز. ونتيجةً لذلك، يتم تشغيل مصدر الضوء وإيقافه آلاف المرات أثناء التقاط الصورة. لا تتجاوز مدة كل نبضة ضوئية بضع نانوثوانٍ. ويحدد زمن تعريض الكاميرا عدد النبضات لكل صورة.

لتحقيق قياسات دقيقة، يجب التحكم بدقة في نبضات الضوء بحيث تكون مدتها وزمن صعودها وزمن هبوطها متطابقة تمامًا. لأن حتى انحرافات صغيرة لا تتجاوز نانوثانية واحدة يمكن أن تُحدث أخطاء في قياس المسافة تصل إلى 15 سم.

لا يمكن تحقيق هذه الترددات العالية للتعديل والدقة إلا باستخدام مصابيح LED أو ثنائيات ليزر متطورة.

بشكل عام، يكون مصدر ضوء الإشعاع مصدر ضوء الأشعة تحت الحمراء غير المرئي للعين البشرية.

2. العدسة البصرية

تُستخدم هذه العدسة لجمع الضوء المنعكس وتكوين صورة على مستشعر بصري. ولكن، على عكس العدسات البصرية العادية، يلزم إضافة مرشح تمرير نطاقي لضمان دخول الضوء ذي الطول الموجي نفسه لمصدر الإضاءة فقط. والهدف من ذلك هو كبح مصادر الضوء غير المتماسكة لتقليل التشويش، مع منع المستشعر الحساس للضوء من التعرض المفرط للضوء نتيجة لتداخل الضوء الخارجي.

3. مستشعر التصوير

جوهر كاميرا TOF. يشبه تركيب المستشعر تركيب مستشعر الصور العادي، ولكنه أكثر تعقيدًا. فهو يحتوي على مصراعين أو أكثر لأخذ عينات من الضوء المنعكس في أوقات مختلفة. لذلك، فإن حجم بكسل شريحة TOF أكبر بكثير من حجم بكسل مستشعر الصور العادي، ويبلغ عادةً حوالي 100 ميكرومتر.

4. وحدة التحكم

تتزامن سلسلة نبضات الضوء التي تُطلقها وحدة التحكم الإلكترونية للكاميرا بدقة مع فتح/إغلاق الغالق الإلكتروني للشريحة. وتقوم هذه الوحدة بقراءة وتحويل شحنات المستشعر وتوجيهها إلى وحدة التحليل وواجهة البيانات.

5. وحدة الحوسبة

تستطيع وحدة الحوسبة تسجيل خرائط عمق دقيقة. عادةً ما تكون خريطة العمق صورة رمادية، حيث يمثل كل رقم المسافة بين السطح العاكس للضوء والكاميرا. وللحصول على نتائج أفضل، تُجرى عادةً عملية معايرة البيانات.

كيف يقيس جهاز قياس زمن الرحلة (TOF) المسافة؟

يتم تعديل مصدر الإضاءة عادةً بنبضات موجية مربعة، نظرًا لسهولة تنفيذه باستخدام الدوائر الرقمية. تتكون كل بكسل في كاميرا العمق من وحدة حساسة للضوء (مثل الصمام الثنائي الضوئي)، والتي تحول الضوء الساقط إلى تيار كهربائي. تتصل هذه الوحدة الحساسة للضوء بمفاتيح عالية التردد (G1، G2 في الشكل أدناه) لتوجيه التيار إلى مكثفات مختلفة لتخزين الشحنات (S1، S2 في الشكل أدناه).

تقوم وحدة تحكم في الكاميرا بتشغيل مصدر الضوء وإيقافه، مُرسلةً نبضة ضوئية. في اللحظة نفسها، تفتح وحدة التحكم وتُغلق الغالق الإلكتروني الموجود على الشريحة.₀يتم تخزين الإشارة المتولدة بهذه الطريقة بواسطة نبضة الضوء على العنصر الحساس للضوء.

ثم تقوم وحدة التحكم بتشغيل مصدر الضوء وإيقافه مرة ثانية. هذه المرة، يُفتح الغالق لاحقًا، عند اللحظة التي يُطفأ فيها مصدر الضوء. الشحنة S₁يتم الآن تخزين البيانات المُولّدة أيضاً على العنصر الحساس للضوء.

نظراً لقصر مدة نبضة الضوء الواحدة، تُكرر هذه العملية آلاف المرات حتى الوصول إلى زمن التعريض المطلوب. ثم تُقرأ القيم الموجودة في مستشعر الضوء، ويمكن حساب المسافة الفعلية بناءً على هذه القيم.

لاحظ أن سرعة الضوء هي c، t_pمدة نبضة الضوء، S₀يمثل الشحنة التي جمعها المصراع السابق، و S₁يمثل الشحنة التي تم جمعها بواسطة الغالق المتأخر، ويمكن حساب المسافة d باستخدام الصيغة التالية:

تكون أقصر مسافة قابلة للقياس عندما يتم تجميع كل الشحنة في S0 خلال فترة الغالق المبكرة ولا يتم تجميع أي شحنة في S1 خلال فترة الغالق المتأخرة، أي S1 = 0. وبالتعويض في الصيغة، نحصل على أقل مسافة قابلة للقياس d = 0.

أكبر مسافة قابلة للقياس هي تلك التي تتجمع فيها كل الشحنة في S1 ولا تتجمع فيها أي شحنة على الإطلاق في S0. وبالتالي، فإن المعادلة تعطينا d = 0.5 xc × tp. لذا، فإن أقصى مسافة قابلة للقياس تُحدد بعرض نبضة الضوء. على سبيل المثال، إذا كان tp = 50 نانوثانية، وبالتعويض في المعادلة أعلاه، فإن أقصى مسافة قياس d = 7.5 متر.

تصميم الأجهزة وميزات المنتج

يعتمد على أحدث حلول أجهزة TOF في العالم؛ ليزر آمن من الفئة الأولى، دقة بكسل عالية، كاميرا صناعية، حجم صغير، يمكن استخدامه لجمع معلومات العمق لمسافات طويلة في الأماكن المغلقة والمفتوحة.

خوارزمية معالجة الصور

باستخدام خوارزمية معالجة وتحليل الصور الرائدة عالميًا، تتمتع بقدرة معالجة قوية، وتستهلك موارد أقل من وحدة المعالجة المركزية، وتتميز بدقة عالية وتوافق جيد.

التطبيقات

تُستخدم الكاميرات الصناعية الرقمية بشكل أساسي في أتمتة المصانع، وتوجيه المركبات الموجهة آليًا (AGV)، وقياس المساحات، وأنظمة النقل الذكية (ITS)، والمجالات الطبية والحيوية. وتُستخدم كاميرات المسح المساحي، والمسح الخطي، والشبكات على نطاق واسع في قياس مواقع واتجاهات الأجسام، ومراقبة نشاط المرضى وحالتهم، والتعرف على الوجوه، ومراقبة حركة المرور، وفحص الإلكترونيات وأشباه الموصلات، وعدّ الأشخاص وقياس الازدحام، وغيرها من المجالات.

www.hampotech.com

fairy@hampotech.com