Co to jest kamera Time of Flight (ToF) i dlaczego mój telefon ma taki aparat?

Coraz więcej producentów chwali się, że ich telefony mają kamery Time of Flight (ToF). Ale czym są aparaty ToF, jak działają i dlaczego warto je mieć w swoim smartfonie?

Kamery ToF mają dodatkową rozdzielczość głębi

Na podstawowym poziomie kamery ToF to zwykłe kamery HD o zwiększonej rozdzielczości głębi. W rzeczywistości telefony takie jak Huawei P30 Pro oferują czterokrotnie lepszą rozdzielczość głębi niż konwencjonalne kamery. Choć termin „rozdzielczość głębi” może brzmieć jak mylący żargon fotograficzny, jest on łatwy do zrozumienia. Kamera o dużej rozdzielczości głębi potrafi rozróżniać obiekty znajdujące się blisko (na pierwszym planie) i daleko (w tle).

W fotografii idea pierwszego planu i tła nazywana jest głębią ostrości, co tworzy poczucie realizmu i skupienia. Obiekty znajdujące się w pobliżu wyglądają na ostre, z wyraźnymi konturami, podczas gdy odległe obiekty są lekko rozmyte.

Dzięki aparatom ToF fotografowie mają więcej opcji kontrolowania głębi ostrości. Oczywiście nie musisz być profesjonalnym fotografem, aby skorzystać z zalet zwiększonej rozdzielczości głębi aparatu ToF. Automatyczne ustawienia aparatu w połączeniu z kamerą ToF pozwalają na uzyskanie oszałamiających zdjęć z dobrze zdefiniowanym pierwszym planem i tłem. Kamery ToF można również wykorzystać do stworzenia imponującego wideo z zaawansowaną stabilizacją obrazu lub do zwiększenia dokładności filtrów na Instagramie.

Ponadto kamera ToF w telefonie może być używana do zaawansowanego rozpoznawania twarzy, gestów i gier wideo AR. Pamiętasz, jak Pokemon Go wykorzystuje twój aparat, aby umieścić Pokemona w twoim otoczeniu? Kamery ToF mogą uczynić tę funkcję znacznie bardziej przekonującą.

Ta technologia nie jest nowa

Co ciekawe, kamery ToF istnieją od późnych lat 70-tych. Dopiero z czasem technologia stała się na tyle tania i wygodna, aby mogła być stosowana w produktach konsumenckich.

W przeszłości kamery ToF wykorzystywano do mapowania topograficznego, automatyzacji maszyn przemysłowych oraz w drzwiach automatycznych. Technologia ta zaczęła pojawiać się w domach (w tym prawdopodobnie w Twoim) w 2014 roku, kiedy Kinect konsoli Xbox One zaczął wykorzystywać kamerę ToF do dokładnego rozpoznawania twarzy i śledzenia gestów dłoni.

Od kwietnia 2019 roku tylko kilka telefonów ma wbudowane kamery ToF, takich jak LG G8 ThinQ, Honor View 20, Huawei P30 Pro oraz Oppo RX17 Pro. Te telefony są skierowane do fotografów i entuzjastów technologii, ale wyznaczają standardy dla przyszłych modeli, w tym Samsung oraz Apple w wersjach 2019 i 2020.

Kamery ToF używają Lidar do pomiaru głębokości

Czy wiesz, jak nietoperze i delfiny używają dźwięku do „widzenia” swojego otoczenia? Podobnie jak one, wykorzystujemy tę technikę w niektórych łodziach podwodnych, nazywając ją sonarem. Kamery ToF korzystają z podobnej metody do pomiaru głębokości, nazywanej lidar, która opiera się na impulsach światła podczerwonego zamiast dźwięku.

Kiedy robisz zdjęcie aparatem ToF w telefonie, emituje on impuls niewidzialnego światła podczerwonego, które odbija się od pobliskich obiektów. Część tego światła rozprasza się w otoczeniu, ale większość wraca do aparatu ToF.

Podobnie jak fala sonarowa nietoperza, fala lidar powraca w kawałkach. Światło podczerwone odbijające się od pobliskich obiektów szybko wraca do kamery ToF, podczas gdy światło odbijające się od odległych obiektów zajmuje więcej czasu. Twój telefon mierzy, ile czasu zajmuje powrót każdego promienia światła, oblicza wartości i tworzy szczegółową mapę głębi 3D.

To trochę jak zabawki w postaci tablic do przypinania, w które wciskasz swoją twarz. Te zabawki mają „efekt 3D”, ponieważ nos, znajdujący się blisko deski, tworzy większe wgłębienie niż oczy i policzki, które są dalej.

Oczywiście odbicie światła podczerwonego dostarcza tylko informacji o głębokości. Dlatego kamery ToF łączą funkcjonalność IR z konwencjonalną kamerą o wysokiej rozdzielczości. Twój telefon używa oprogramowania do łączenia konwencjonalnego zdjęcia z mapą głębi 3D w podczerwieni, co pozwala uzyskać obraz z dobrze zdefiniowanym pierwszym planem i tłem.

Przyszłe aplikacje dla kamer ToF

W ciągu najbliższych kilku lat aparaty ToF zrewolucjonizują sposób robienia zdjęć i nagrywania wideo za pomocą naszych telefonów. Jednak warto spojrzeć na to z szerszej perspektywy. Mówimy o technologii, która potrafi stworzyć mapę głębi środowiska z prędkością światła. Jej zastosowania wykraczają poza fotografię.

W rzeczywistości pierwsze doświadczenia z aparatem ToF w telefonie prawdopodobnie nie będą związane tylko z fotografią. Model Samsung Galaxy S10 5G będzie posiadał kamery ToF zarówno z przodu, jak i z tyłu. Apple, znane z tajemniczości w sprawie przyszłych planów dotyczących iPhone’a, ma plotki, że iPhone’y 2019 mogą również zawierać kamery ToF. Oczywiście ta aktualizacja sprawi, że Twoje selfie będą wyglądać niesamowicie, ale zwiększy również dokładność Face ID i innych metod zabezpieczeń. Jeśli włączysz rozpoznawanie twarzy podczas konfigurowania telefonu, po cichu zarejestruje on trójwymiarową mapę Twojej twarzy, zanim będziesz mieć możliwość zrobienia autoportretów.

Sterowanie gestami to kolejna ekscytująca (ale prawdopodobnie kontrowersyjna) aplikacja dla kamer ToF. Tak, system gestów Kinect może budzić mieszane uczucia, ale w ciągu najbliższych kilku lat prawdopodobnie będziesz korzystać z podobnej technologii do sterowania telefonem, komputerem, inteligentnym asystentem czy smartwatchem. Obecnie firmy takie jak W ruchu rozwijają aplikacje ToF dla komputerów stacjonarnych, a producenci, tacy jak Google, wykorzystują systemy radarowe i lidarowe do tworzenia inteligentnych zegarków i asystentów głosowych.

Oprócz sterowania gestami, kamery ToF są idealne do zastosowań w VR i AR. Na podstawowym poziomie, takie rzeczy jak filtry na Instagramie i Pokemon Go będą wydawać się znacznie bardziej „prawdziwe” przy użyciu kamer ToF. W przypadku bardziej skomplikowanych aplikacji, takich jak VR, kamery ToF mogą być używane do rejestrowania gestów i ruchów gracza. Mogą być również wykorzystywane do szybkiego mapowania fizycznych środowisk i przekształcania ich w światy VR, co może przyspieszyć tworzenie profesjonalnych gier lub otworzyć rynek VR dla niezależnych twórców gier.

Kamery ToF mają także zastosowania praktyczne. W przeszłości były używane do automatyzacji maszyn w fabrykach, a trend ten będzie się utrzymywał. W miarę jak kamery ToF stają się coraz lepsze i tańsze, znajdą zastosowanie w jeszcze większej liczbie produktów AI, zarówno przemysłowych, jak i konsumenckich. Większość inteligentnych samochodów już wykorzystuje formę technologii lidar, aby „widzieć” swoje otoczenie (co ciekawe, samochody Tesli nie korzystają z lidaru).

Chociaż kamery ToF w nowych telefonach są obecnie ograniczone do aplikacji fotograficznych, AR i rozpoznawania twarzy, to teraz jest dobry czas, aby zaznajomić się z tą technologią. W końcu kamery ToF będą wszędzie.

Źródła: Mouser