Telefonlarınızda, kameralarınızda vb. kullanılan zaman uçuşu (ToF) hakkında duydunuz mu ama ne için kullanıldığını ve nasıl çalıştığını bilmiyor musunuz?
Bu kılavuz aracılığıyla, ToF sensörleri ve kameraları hakkında her şeyi öğreneceksiniz:
- Zaman Uçuşu Sensörü nedir?
- Zaman Uçuşu Sensörü nasıl çalışır?
- Zaman Uçuşu Sensörü kullanmanın faydaları
- ToF’nin sınırlamaları
- Zaman Uçuşu Sensörleri örneği
Zaman Uçuşu (ToF) Sensörü nedir?
Peki, zaman uçuşu kamerası tam olarak nedir? Uçak uçuşunu yakalayan bir kamera mı? Uçaklarla veya hava araçlarıyla ilgili bir şey mi? Aslında oldukça uzak bir kavram!
ToF, bir nesnenin, parçacığın veya dalganın bir mesafeyi kat etmesi için geçen süreyi ölçmektir. Bir yarasanın sonar sisteminin nasıl çalıştığını biliyor musunuz? Zaman uçuşu sistemi buna benzer!
Piyasada çeşitli Zaman Uçuşu sensörleri bulunmaktadır, ancak çoğunlukla Lidar (Işık tespiti ve mesafe ölçümü) adı verilen bir teknoloji kullanarak bir görüntüdeki çeşitli noktaların derinliğini ölçen Zaman Uçuşu kameraları ve lazer tarayıcılar şeklindedir. Lidar hakkında bilginiz yoksa, ışığı pulsed lazer formunda kullanarak mesafeleri ölçen bir uzaktan algılama yöntemidir.
Lidar hakkında daha fazla bilgi edinmek için LiDAR Sensörü Nedir? – Teknoloji, Kullanımlar, Projeler kılavuzumuzu kontrol edebilirsiniz.
ToF sensörleri ile üretilen ve yakalanan veriler, yaya tespiti, yüz özelliklerine dayalı kullanıcı kimlik doğrulama, SLAM (eşzamanlı konumlandırma ve haritalama) algoritmaları kullanarak çevre haritalama gibi birçok faydalı bilgi sağlayabilir.
SLAM nedir? SLAMTEC hakkında daha fazla bilgi edinmek için SLAMTEC, RPLIDAR, Haritalayıcı ve SLAMware kılavuzumuzu kontrol edebilirsiniz.
Sistem aslında robotlarda, otonom araçlarda ve şimdi hatta mobil cihazlarınızda yaygın olarak kullanılmaktadır. Size birkaç örnek vermek gerekirse, Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro ve LG G8 ThinQ kullanıyorsanız, telefonunuzda bir ToF kamerası var!
Zaman Uçuşu Sensörü nasıl çalışır?
Artık Zaman Uçuşu Sensörü’nün ne olduğunu kısaca öğrendiğimize göre, tam olarak nasıl çalışıyor?
ToF sensörleri, bir nesneye çarpıp sensöre geri dönen kızılötesi ışık yaymak için küçük bir lazer kullanır. Işığın yayılması ile nesne tarafından yansıtılıp sensöre geri dönmesi arasındaki zaman farkına dayanarak, sensör nesne ile sensör arasındaki mesafeyi ölçebilir. Bugün, ToF’un mesafe ve derinliği belirlemek için kullandığı iki yol üzerinden gideceğiz:
- Zamanlı Pulslar Kullanarak
- Genlik Modüle Edilmiş Dalgaların Faz Kaymasını Kullanarak
Zamanlı Pulslar Kullanarak
Örneğin, önce hedefi lazer ışığı ile aydınlatarak ve yansıyan ışığı bir tarayıcı ile ölçerek çalışır; burada nesnenin mesafesi, ışık hızını kullanarak doğru bir şekilde hesaplanır. Ayrıca, lazer geri dönüş zamanları ve dalga boylarındaki farklılıklar, hedefin hassas dijital 3D temsillerini ve yüzey özelliklerini oluşturmak için kullanılır.
Yukarıda gördüğünüz gibi, lazer ışığının önce yayıldığı ve bir nesneden geri döndüğü süreç budur. Lazer geri dönüş süresi ile ToF kameraları, ışığın hızına göre kısa bir sürede tam mesafeyi ölçebilir. (ToF, mesafeye dönüştürülür) İşte analistlerin nesnenin kesin mesafesine ulaşmak için kullandığı formül:
(Işık hızı x Zaman uçuşu) / 2
Gördüğünüz gibi, ışığın çıkışı sırasında bir zamanlayıcı başlar ve geri dönen ışık alındığında zamanlayıcıdan zaman geri döner. İki zaman çıkarıldığında, ışığın “zaman uçuşu” elde edilir ve ışık hızı sabit olduğundan, mesafe yukarıdaki formül kullanılarak kolayca hesaplanabilir. Bu sayede nesnenin yüzeyindeki tüm noktalar belirlenebilir.
Genlik Modüle Edilmiş Dalgaların Faz Kaymasını Kullanarak
Sonraki olarak, ToF, derinlik ve mesafeyi belirlemek için yansıyan ışığın faz kaymasını tespit etmek üzere sürekli dalgalar da kullanabilir.
Genliği modüle ederek, bilinen bir frekansta sinüzoidal formda bir ışık kaynağı oluşturur; bu, bir dedektörün yansıyan ışığın faz kaymasını belirlemesine olanak tanır ve formülü kullanarak:
burada c ışık hızıdır (c=3×108 m/s), λ bir dalga boyudur (λ=15 m) ve ƒ frekanstır; sahnedeki her nokta, derinliği bulmak için sensör tarafından kolayca hesaplanabilir.
Tüm bunlar çok hızlı gerçekleşiyor çünkü ışık hızıyla çalışıyoruz. Sensörün ne kadar hassas ve hızlı ölçüm yapabileceğini hayal edebiliyor musunuz? Size bir örnek vereyim, ışık saniyede 300.000 km yol alırken, bir nesne sizden 5 m uzaktaysa, kameradan çıkan ışık ile geri dönen ışık arasındaki zaman farkı yaklaşık 33 nanosekondur ki bu da yalnızca 0.000000033 saniyeye eşittir! Vay! Ayrıca, yakalanan veriler her bir piksel için olacaktır, bu da size hassas 3D dijital temsiller verir.
Hangi prensibi kullanırsanız kullanın, tüm sahneyi aydınlatabilen bir ışık kaynağı sağlamak, sensörün tüm noktaların derinliğini belirlemesine olanak tanır. Bunun sonucunda, her pikselin sahnedeki karşılık gelen noktaya olan mesafeyi kodladığı bir mesafe haritası elde edersiniz. İşte bir ToF mesafe haritasının nasıl göründüğüne dair bir örnek:
Bir elin 3D sahnesinin yanlış renkli görüntüsü, 29 Nisan 2019’da pmdtec.com tarafından alınmıştır. Renkler, sensörden elde edilen mesafeye göre bireysel piksellere haritalanmıştır (kırmızı yakın, mavi uzak)
Artık ToF’un nasıl çalıştığını biliyoruz, peki neden iyidir? Neden kullanmalısınız? Hangi faydaları vardır? Endişelenmeyin, işte bir ToF sensörü kullanmanın bazı avantajları:
Zaman Uçuşu Sensörü kullanmanın faydaları
Kesin ve Hızlı Ölçümler
Ultrasonik veya lazer gibi diğer mesafe sensörleriyle karşılaştırıldığında, Zaman Uçuşu sensörleri bir sahnenin 3D görüntüsünü çok hızlı bir şekilde oluşturabilir. Örneğin, ToF kameraları bunu tek bir çekimle yapabilir. Sadece bu değil, ToF sensörleri kısa sürede nesneleri doğru bir şekilde tespit edebilir ve nem, hava basıncı ve sıcaklıktan etkilenmez, bu da onları hem dış mekan hem de iç mekan kullanımı için uygun hale getirir.
Uzun Menzil
ToF sensörleri lazer kullandığından, uzun mesafeleri ve aralıkları büyük bir hassasiyetle ölçebilirler. Örneğin, RPLiDAR S1 Taşınabilir ToF Lazer Tarayıcı Kiti 40m menzil sunmaktadır! Bu nedenle, ToF sensörleri esnektir; çeşitli şekil ve boyutlardaki yakın ve uzak nesneleri tespit edebilirler.
Ayrıca, sisteminizin optiğini en iyi performans için özelleştirme esnekliğine sahipsiniz; yayıcı ve alıcı türlerini ve lensleri seçerek istediğiniz görüş alanını elde edebilirsiniz.
Güvenli
ToF sensörünüzden çıkan lazerlerin gözlerinize zarar verebileceğinden endişe mi ediyorsunuz? Endişelenmeyin! Birçok ToF sensörü artık düşük güçlü kızılötesi lazer ışığını ışık kaynağı olarak kullanmakta ve bunu modüle edilmiş pul ile sürmektedir. Sensörler, insan gözleri için güvenliğini garanti eden Sınıf 1 Lazer Güvenlik Standardına ulaşmaktadır.
Maliyet Etkili
Yapılandırılmış ışık kamera sistemleri veya lazer mesafe bulucular gibi diğer 3D derinlik tarama teknolojileri ile karşılaştırıldığında, ToF sensörleri bunlara göre oldukça daha ucuzdur.
Tüm bu sınırlamalara rağmen, ToF hala oldukça güvenilir ve 3D bilgileri yakalamak için çok hızlı bir yoldur.
ToF’nin Sınırlamaları
ToF’un birçok faydası olmasına rağmen, sınırlamaları da vardır. ToF’un bazı sınırlamaları şunlardır:
“`html
Dağınık Işık
ToF sensörünüzün çok yakınında çok parlak yüzeyler bulunduğunda, bu yüzeyler alıcıya fazla ışık yansıtabilir ve ToF sensörünüzün ölçüm için yalnızca bir kez yansıtılmış ışığa ihtiyaç duyması nedeniyle artefaktlar ve istenmeyen yansımalar oluşturabilir.
Çoklu Yansımalar
ToF sensörünüzü köşelerde ve içe doğru şekillerde kullanırken, ışık birden fazla kez yansıyabileceğinden istenmeyen yansımalar oluşabilir ve bu da ölçümü bozabilir.
Ortam Işığı
ToF kamerasını açık havada parlak güneş ışığı altında kullanmak, dış mekan kullanımını zorlaştırabilir. Bu, güneş ışığının yüksek yoğunluğunun, bir nesneden yansıyan gerçek ışığın algılanamadığı sensör piksellerinin hızlı bir şekilde doygunluğa ulaşmasına neden olmasındandır.
Uçuş Süresi Sensörleri Örnekleri
Şimdiye kadar bir uçuş süresi sensörünün ne olduğunu, ne için kullanıldığını, nasıl çalıştığını ve avantajlarını ve sınırlamalarını biliyorsunuz, artık ToF sensörleri hakkında oldukça bilgilisiniz!
Projelerinizde ToF sensörlerini kullanmakla mı ilgileniyorsunuz? İşte projeleriniz için mükemmel olacağını düşündüğüm kişisel favorilerimden bazıları! Bunları fabrika otomasyonu, bina otomasyonu, cihazlar vb. gibi çeşitli uygulamalar için kullanabilirsiniz.
İlk ToF sensörüne bakalım:
RPLiDAR A1M8-R6 360 Derece Lazer Tarayıcı Kiti – 12M Menzil
- RPLIDAR A1, SLAMTEC tarafından geliştirilen düşük maliyetli 360 derece 2D lazer tarayıcı (LIDAR) çözümüdür. Sistem, 6 metre menzil içinde 360 derece tarama yapabilir. Üretilen 2D nokta bulutu verileri, haritalama, konumlandırma ve nesne/çevre modelleme için kullanılabilir.
- RPLIDAR A1’in tarama frekansı, her turda 360 nokta örneklerken 5.5 Hz’ye ulaşır. Maksimum 10 Hz’ye kadar yapılandırılabilir.
- RPLIDAR A1, temelde bir lazer üçgenleme ölçüm sistemidir. Her türlü kapalı alan ve güneş ışığı olmayan açık alanlarda mükemmel bir şekilde çalışabilir. Kolaylığınız için, projelerinize uygun olanı kolayca seçebilmeniz için farklı RPLiDAR’ları karşılaştıran bir tablo hazırladık!
RPLiDAR S2 Düşük Maliyetli 360 Derece Lazer Mesafe Tarayıcı – 30M Menzil
- RPLIDAR S2, 30 metre yarıçapında 360 derece çok yönlü lazer mesafe taraması yapabilen düşük maliyetli yeni nesil iki boyutlu lazer menzil radar sistemidir ve bulunduğu alanın düz nokta bulutu haritasını oluşturur. Harita anketi ve konumlandırma ve navigasyon gibi pratik uygulamalarda kullanılabilir.
- RPLIDAR S2, SLAMTEC tarafından geliştirilen yüksek hızlı lazer edinim ve işleme mekanizması ile birlikte lazer uçuş süresi mesafe ölçüm teknolojisini benimsemektedir ve saniyede 32,000 mesafe ölçüm işlemi gerçekleştirebilir. Temassız enerji ve sinyal iletim teknolojisini kullanarak, geleneksel lidar’ın ömür sınırlamasını aşar ve uzun süre güvenilir ve istikrarlı bir şekilde çalışabilir.
DepthEye S2 -H67° x V51° VGA ToF Kamerası Sony IMX556PLR DepthSense ile
- IMX556, tamamen entegre bir optik Uçuş Süresi (ToF) kamera sensörüdür. Sensör, DepthSense® piksel teknolojisine dayanan 640 x 480 (VGA) uçuş süresi piksellerine sahiptir. Modüle edilmiş bir ışık kaynağı ile birleştirildiğinde, bu sensör VGA çözünürlükte mesafe ve yansıtıcılık ölçme yeteneğine sahiptir ve algılama mesafesi 0.5m ~ 4m’ye kadar ulaşabilir.
- Yüksek sinyal-gürültü oranına sahip arka aydınlatmalı bir ToF görüntü sensörüdür, tam çözünürlükte @max60 fps(4faz/çerçeve) ve piksel birleştirme okuma işlevine sahiptir. Ayrıca bağımsız döndürme ve yansıtma özellikleri ile entegre bir sıcaklık sensörüne sahiptir.
- Robot engel kaçınma, hacim ölçümü, nesne tanıma gibi çeşitli sahnelerde idealdir.
HPS-3D160-U Katı Hal LiDAR
- HPS-3D160, ToF prensibine dayanan yeni nesil yüksek performanslı katı hal LiDAR sensörüdür. Optimize edilmiş aydınlatma sistemi ve düşük distorsiyonlu kızılötesi optik lens ile 90% yansıtma oranına sahip beyaz bir hedefte 12m’ye kadar mesafe ölçebilir. Esnek özelleştirilebilir ROI ayar fonksiyonu, Basit-HDR, Otomatik-HDR ve Süper-HDR modu, HPS-3D160’ın tüm yansıtıcılık sahnelerinde yaygın olarak kullanılmasını sağlar.
- Gömülü yüksek performanslı işlemci ve gelişmiş veri işleme, filtreleme ve telafi algoritması, çok stabil ve eş zamanlı ölçüm veri çıkışı sağlar. Tam katı yapı, endüstriyel IP67 su geçirmez tasarım ve güçlü havacılık alüminyum kasası, HPS-3D160’ın çeşitli karmaşık ortamlarda kullanılmasına olanak tanır.
- 3D modelleme ve 3D hareket tanıma için idealdir, ayrıca endüstriyel güvenlik alanı koruma, yakınlık koruma ve güvenlik gözetimi gibi alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
TFmini S LiDAR modülü – Kısa Menzilli ToF LIDAR Mesafe Bulucu
- TFmini S LiDAR modülü – Kısa Menzilli ToF LIDAR Mesafe Bulucu, yakın kızılötesi ışınlar yayabilen ve yayılan ışın ile yansıyan ışın arasındaki faz farkını ölçerek mesafeyi ToF ile hesaplayabilen bir LIDAR mesafe sensörüdür.
- Şeffaf nesneler, su veya cam gibi, LIDAR prensibi nedeniyle doğru mesafe vermek zordur. Ancak, hareket eden nesneleri ölçmede ve gerçek zamanlı olarak mesafeyi hesaplamada hala hassastır.
- Bu mesafe sensörü, geliştiriciler için I2C ve UART arayüzü bırakır ve TFmini’yi TTL’den USB dönüştürücü ile PC’ye takarak mesafe verilerini bilgisayarınızda alabilirsiniz.
- Yazılım açısından, TFmini için bir test yazılımı indirip, nesne hareket ederken mesafenin değişimini gerçek zamanlı olarak gözlemleyebilirsiniz.
- Daha fazla bilgi için veri sayfasını kontrol edin.
Mesafe sensörü için başka bir seçenek: TFmini Plus – ToF LIDAR Mesafe Bulucu
Grove – Uçuş Süresi Mesafe Sensörü(VL53L0X)
Küçük, maliyet etkin bir ToF sensörü mü arıyorsunuz? İşte VL53L0X.
“`
- VL53L0X tabanlı, yüksek hız, yüksek hassasiyet ve uzun menzilli bir ToF mesafe sensörü, günümüzde piyasada bulunan en küçük pakette yer alan yeni nesil Time-of-Flight (ToF) lazer mesafe modülüdür ve hedef yansımalarına bakılmaksızın doğru mesafe ölçümü sağlar.
- 2m’ye kadar mutlak mesafeleri ölçebilir, bu da mesafe performans seviyelerinde yeni bir standart belirler ve çeşitli yeni uygulamalara kapı açar.
- VL53L0X, öncü bir SPAD dizisi (Tek Foton Çığ Diyotları) entegre eder ve ST’nin ikinci nesil Flight SenseTM patentli teknolojisini barındırır.
- VL53L0X’in 940 nm VCSEL émitteri (Dikey Kaviteli Yüzey Emici Lazer), insan gözüne tamamen görünmezdir ve iç fiziksel kızılötesi filtrelerle birleştirildiğinde daha uzun menzil, çevresel ışığa daha yüksek bağışıklık ve cam optik çapraz konuşmaya karşı daha iyi dayanıklılık sağlar.
Slamtec Mapper M1M1 ToF Lazer Tarayıcı Kiti – 20M Menzil
Bir ToF lazer tarayıcı mı arıyorsunuz? Bu sensöre göz atın!
- Slamtec Mapper, 20m ve 40m algılama menziline sahip iki modele sahiptir. Ev sahneleri veya ticari, hafif endüstriyel sahneler için kolayca haritalama yapabilir. Aşağıdaki resim, 134 metre * 111 metre boyutlarında bir yer altı otoparkında M1M1 haritalama işlevini göstermektedir. Taşınabilir modda, M1M1’in entegre 9 derece serbestlik derecesine sahip inersiyel navigasyon sistemi, yürüyüşten kaynaklanan sarsıntıları ve titremeleri ortadan kaldırarak süper yüksek harita oluşturma performansı sağlar.
- Bu sadece bir lazer mesafe tarayıcısı değil, M1M1 yüksek kaliteli haritalama ve gerçek zamanlı konumlandırma veya navigasyon işlevine sahiptir. Bu, evinizi veya ofisinizi kolayca haritalayabileceği anlamına gelir. Aslında, hem kapalı hem de açık alan haritalamasını destekler ve 100,000 m²’den fazla büyük çalışma senaryolarını destekler. Robot konumlandırma ve navigasyonu, çevre anketi ve haritalama vb. için mükemmel bir lazer tarayıcıdır.
- M1M1, 5 cm çözünürlükle 20 metreye kadar algılayabilir ve yeniden konumlandırma hassasiyeti 0.02m’den daha azdır. Bu yüksek performans, SLAMTEC’in üçüncü nesil SLAM motoruna bağlıdır. Üstelik, SLAMTEC M1M1 kullanımı oldukça kolaydır, herhangi bir dış bağımlılığa gerek yoktur, sadece USB kablosu ile bilgisayarınıza bağlayın ve çalışmaya başlayacaktır. Dahası, M1M1, hem cep telefonları hem de PC için SLAMTEC tam çapraz platform SDK ve araçları ile birlikte gelir. Şimdi bir tane alın ve kendi haritanızı oluşturun!
İşte bunun aksiyon halindeki bir videosu:
- Daha fazla menzil mi gerekiyor? 40m menzil sunan RPLiDAR S1 Taşınabilir ToF Lazer Tarayıcı Kiti‘ne göz atın!
Opene8008B – QVGA Time-of-Flight Sensör Değerlendirme Kiti
Bir ToF kamera mı arıyorsunuz? Bu sizin için mükemmel olacak!
- Opene8008B – QVGA Time-of-Flight Sensör Değerlendirme Kiti, derinlik görüntüleri elde etmek için yüksek çözünürlüklü bir ToF kameradır.
- 320×240 çözünürlüğe ulaşabilen Opene8008B – QVGA ToF çipi ile bir araya getirilmiştir ve Opene8008B’yi çalıştırmak için gerekli tüm donanımı, hem kamera lensini hem de aydınlatmayı içerir. Derinlik haritası verilerinin gerçek zamanlı görselleştirilmesi ve kaydedilmesi için bir PC’ye bağlanabilir.
- Çoğu ToF kameranın maksimum çalışma menzili yaklaşık 5~7m iken, bu ToF kamera 10m’ye kadar ulaşabilir. Ayrıca, kameranın FPS performansı maksimum 120’dir, bu nedenle görüntüler ToF sensörü altında çok uyumlu olacaktır.
VL53L0X hakkında daha fazla bilgi edinmek ve Arduino ile nasıl başlayacağınızı öğrenmek ister misiniz? kılavuzumuza göz atın!
Özet
Time of flight sensörleri, birçok uygulamada kullanılabilir. 3D haritalama, endüstriyel otomasyon, engel tespiti, otonom araçlar, tarım, robotik, kapalı alan navigasyonu, jest tanıma, nesne tarama, hacim ölçme ve gözetimden artırılmış gerçekliğe kadar! ToF teknolojisinin uygulamaları sonsuzdur.
ToF sensörleri hakkında ne düşünüyorsunuz? Ne için kullanacaksınız? Aşağıdaki yorumlarda bize bildirin!