Camera Temps de Vol (Time of Flight)

Camera Temps de Vol (Time of Flight)

Une caméra fonctionnant sur le principe du temps de vol (anglais : Time of Flight, TOF) permet de mesurer en temps réeljusquà 50 images par seconde- une scène en 3 dimensions (3D).

Pour ce faire, les caméras TOF illuminent la scène / les objets mesurés par un pulse de lumière, et mesurent le temps que ce pulse prend pour effectuer le trajet entre lobjet et la caméra. Le « temps de vol » de ce pulse est directement proportionnel à la distance entre la caméra et lobjet mesuré. Cette mesure de temps de vol est effectuée indépendamment par chaque pixel de la caméra, permettant ainsi dobtenir une image complète en 3D de lobjet mesuré. Le principe de mesure est donc très similaire à celui des scanners laser, avec cependant lavantage décisif de permettre lacquisition de la totalité de limage et non dune seule ligne.

SwissRanger 4000 de MESA Imaging avec résolution de 176 × 144 pixel
PMD[vision] CamBoard de PMDTechnologies GmbH avec résolution de 200 × 200 pixel

Sommaire

Composantes dune caméra TOF

Une caméra TOF est composée au minimum des éléments suivants :

Illumination

Lillumination sert à illuminer la scène/lobjet que lon désire mesurer. Elle se compose de LEDs ou de diodes lasers ayant la capacité de générer des pulses de lumière assez rapides pour mesurer des temps de vol de lordre de la nanoseconde. Lillumination est généralement dans le proche infrarouge pour ne pas interférer avec la lumière ambiante.

Optique

LOptique capte la lumière réfléchie par lobjet et la focalise celle-ci sur le capteur TOF. Loptique est souvent aussi constituée dun filtre à bande passante dans linfrarouge, permettant déliminer la lumière ambiante superflue.

Capteur TOF

Le capteur TOF est la partie principale dune caméra TOF. Le capteur TOF est similaire à un capteur de caméra standard (2D) de par le fait quil est constitué dune partie active permettant de transformer la lumière incidente en signal électrique. Cependant, les capteurs TOF sont nettement plus complexes de par le faite que chaque pixel est aussi capable de mesurer le temps de vol que la lumière incidente a parcourue entre la caméra et lobjet. Cette complexité a le prix dutiliser une surface plus grande par pixel, ce qui a pour conséquence une résolution latérale (ou nombre de pixels) nettement moins grande que pour les capteurs 2D standards. Une résolution typique pour une caméra TOF se situe aux alentours de 176 x 144 pixels.

Electronique

Lélectronique permettant de faire fonctionner la caméra joue un rôle non négligeable de par le fait que les temps de vols mesurés sont dans le domaine des picosecondes. Lélectronique doit être capable de précisément synchroniser la lumière émise avec le fonctionnement du capteur TOF. Pour donner une idée de la précision requise, il est intéressant de se rappeler que 100 picosecondes de déphasage représentent déjà une erreur sur la distance de 15 mm.

Conversion Analogue / Digital

Le signal généré par le capteur TOF doit être convertis en signal digital, du type coordonnées sphériques ou coordonnées cartésiennes. Cette conversion doit tenir compte des paramètres internes de la caméra, tels les facteurs de distorsion de loptique, et doit être finement coordonnée avec les facteurs de calibration propres à chaque caméra.

Avantages des caméras TOF

Acquisition 3D de la totalité de la scène en temps réel

Étant donné que chaque pixel de la caméra livre une mesure de la distance, les caméras TOF permettent dacquérir en un temps très réduit et sans procédé de balayage la totalité de lobjet/la scène mesurée. Les caméras TOF permettent dacquérir jusquà 50 images 3D/seconde des objets mesurés

Stabilité mécanique

Contrairement aux scanners lasers utilisant parfois des têtes pivotantes afin de balayer la totalité de lobjet mesuré et utilisant une mécanique complexe permettant de générer la ligne de balayage, les caméras TOF offrent lavantage dacquérir la totalité de limage sans procédé de balayage. Cela permet de construire des caméras mécaniquement très stables, en évitant toutes pièces mobiles qui seraient astreintes aux détériorations dues aux vibrations.

Taille réduite

Contrairement aux caméras stéréo qui sont soumises à des contraintes géométriques leur imposant une taille minimale, et contrairement aux scanners lasers nécessitant une mécanique complexe et volumineuse, les caméras TOF peuvent être conçues de taille compacte. Il existe des caméras de type industriel nétant pas plus grandes que 65x65x80mm. Extraction des données 3D aisée : Contrairement aux caméras stéréo qui nécessitent des algorithmes puissants ainsi que des structures de référence sur les objets mesurés afin dextraire les données 3D, les caméras TOF ne nécessitent aucun algorithme spécifique et les mesures sont indépendantes de structures de référence sur les objets mesurés.

Désavantages des caméras TOF

Interférences dues à la lumière directe dune source lumineuse (tel que lumière du soleil)

Étant donné que les caméras TOF dépendent de la quantité du signal propre collecté, la lumière ambiante peut interférer avec la mesure de la distance. Afin de capter un bon signal, il est important de maximiser le rapport entre la lumière provenant de la caméra et la lumière provenant de sources externes. Il existe plusieurs manières daborder le problème :

  • Munir loptique dun filtre à bande passante afin de réduire la quantité de lumière ambiante incident sur le capteur
  • Augmenter la quantité de lumière émise par la caméra afin de contrer les effets de la lumière ambiante (par exemple en ajoutant plus de LEDs dans la caméra). Cette méthode nest que partiellement applicable, étant donné quelle génère un surplus de chaleur dans la caméra quil sagit dévacuer à laide de ventilateurs (non conforme aux applications industrielles) ou à laide de caméras plus massives et plus volumineuses
  • Augmenter la sensibilité du capteur TOF afin de minimiser le temps dexposition à la lumière externe. Cette méthode est la plus prometteuse, car elle permet, à performances égales, de réduire la quantité de lumière émise par la caméra, déviter la nécessité de ventilateurs et de réduire les dimensions de la caméra.

Domaines dapplications

Image de distance d'un visage capturé avec une caméra temps de vol
Mesurage des objets avec l'aide des images 3D Temp de Vol

Les caméras TOF permettent de résoudre une multitude dapplications. Voici une liste non exhaustive de nouvelles possibilités offertes par les caméras TOF :

  • Interaction machineêtre humain
  • Mesure de volumes et de positions dans le domaine de lautomatisation industrielle
  • Assistance de parcage/ de conduite dans le domaine automobile
  • Navigation automatique dans le domaine de la robotique
  • Positionnement des patients pour les traitements de cancers par voie dirradiations

Quelques compagnies actives dans le domaine des caméras TOF

  • DepthSensecaméras et modules TOF développés par SoftKinetic Sensors (official website)
  • SR4000 (Swissranger: capteurs, modules et caméras TOF de type industriels développés par MESA Imaging AG (official website)
  • PMD[vision] – capteurs TOF, modules, caméras et software développés par PMDTechnologies GmbH
  • FOTONIC-B70caméras TOF et software développé par Fotonic. Capteur TOF développé par Canesta


Vidéos


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Contenu soumis à la licence CC-BY-SA. Source : Article Camera Temps de Vol (Time of Flight) de Wikipédia en français (auteurs)

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