دوربین ToF چیست و چرا در گوشی های هوشمند مدرن نصب می شود؟

اخیرا دوربین های ToF به بخشی جدایی ناپذیر از مجموعه دوربین یک گوشی هوشمند پرچمدار مدرن تبدیل شده اند. اما چگونه کار می کنند، چرا اصلا به آنها نیاز است و کجا می توان از آنها استفاده کرد؟

اکثر کاربران می گویند: "آنها هستند، پس باشد." واقعیت این است که اطلاعات بسیار کمی در مورد سنسورهای ToF منتشر شده است. مگر اینکه همکاران روزنامه نگار من و نه همه آنها و حتی کارشناسان متخصص نیاز آنها را به وضوح توضیح دهند. بیایید کمی به این موضوع شفاف سازی کنیم. شاید بخشی از متن حاوی عبارات زیادی باشد، اما من سعی خواهم کرد به ساده ترین شکل ممکن توضیح دهم که دوربین ToF چیست، کجا می توانید از قابلیت های آن استفاده کنید و چگونه آن را در عمل ببینید. خب بریم!

دوربین ToF چیست؟

آن فیلم های زیردریایی جنگ جهانی دوم را به خاطر دارید؟ تجهیزات سونار مورد استفاده برای شناسایی کشتی های دشمن در آنجا ظاهر شد. دستگاه صدای پینگ را به فضای آب می فرستد و منتظر می ماند تا سیگنال منعکس شود. با توجه به زمان بازگشت موج صوتی، متخصص سعی کرد محل زیردریایی دشمن را تعیین کند.

درست مانند سونار، یک دوربین ToF مدت زمانی را که طول می‌کشد تا نور از یک جسم بتابد اندازه‌گیری می‌کند. سپس دوربین از داده های تاخیر برای تعیین فاصله استفاده می کند. بنابراین، حسگر ToF یک نقشه سه بعدی از جهان ایجاد می کند.

به همین دلیل است که دوربین های ToF گاهی اوقات "دوربین های عمق" نیز نامیده می شوند. دوربین ToF (زمان پرواز) سنسوری است که قادر است نوعی نور را در طیف مادون قرمز ساطع کند و سپس سرعت بازتاب آن را از جسم ثبت کند. خود سنسور از دو بخش تشکیل شده است: بخش اول یک دیود است که نور مادون قرمز ساطع می کند و دومی یک ماتریس ویژه حساس به نور است.

دوربین زمان بازگشت نور منعکس شده از جسم به آن را اندازه گیری می کند. بر اساس محاسبات انجام شده با دقت تا یک نانوثانیه، این دستگاه نه تنها قادر است فاصله تک تک اجسام را از حسگر به طور دقیق تخمین بزند، بلکه شکل آنها را نیز تعیین کند. درست است که بسیار شبیه به سونار سونار است. فقط در این حالت به جای صدا نور را به جسم می فرستیم.

حسگرهایی که بر اساس یک اصل مشابه کار می کنند نیز در خودروهای خودران یا حتی کاوشگرهای فضایی ساخته شده توسط ناسا استفاده می شوند. کوچک سازی پیشرونده و هزینه های تولید نسبتاً پایین به این معنی است که این فناوری می تواند امروز در جیب شما باشد. واقعیت این است که سنسورهای ToF در حال حاضر در بسیاری از گوشی های هوشمند برتر وجود دارد. در اینجا برخی از دستگاه های تلفن همراه مجهز به دوربین های ToF آورده شده است:

• Samsung Galaxy S10 5G
• Samsung Galaxy Note10 +
• Samsung Galaxy S20 +
• Samsung Galaxy S20Ultra 5G
• LG G8 Thin Q
• OPPO RX17 Pro
• افتخار نمایش 20
• Huawei P30 Pro
• Huawei Mate 30 Pro
• Huawei P40 Pro
• OPPO Reno
• Sony Xperia XZ4

من مطمئن هستم که هر سال این لیست فقط گسترش می یابد، زیرا پتانسیل این سنسور به سادگی بسیار زیاد است. شاید به زودی گوگل نیز چنین دوربینی را در پیکسل های خود نصب کند. امیدی هم هست که و Apple به سنسور ToF توجه خواهد کرد و به محبوبیت زیاد این فناوری کمک می کند و همچنین از قابلیت های آن استفاده کامل خواهد کرد. بیخود نیست که حسگر مشابهی در iPad Pro جدید ظاهر شد.

خوب، تئوری واضح است، حالا بیایید نگاهی دقیق‌تر به توانایی دوربین ToF در عمل بیاندازیم. باید درک کرد که شما نمی توانید به سادگی این سنسور را بگیرید و روشن کنید، اما همچنان می توانید از آن در برخی برنامه ها استفاده کنید، حتی در هنگام عکاسی با دوربین.

چگونه می توان از دوربین ToF استفاده کرد؟

فاصله را اندازه می گیریم

در برخی از گوشی های هوشمند Samsung (از جمله Note10+، S20+ و S20 Ultra) و Huawei (از جمله P30 Pro، Mate 30 Pro، Huawei P40 Pro) می توانید یک برنامه اندازه گیری فاصله به نام Measure نصب کنید.

دانلود کد QR

اندازه گرفتن

توسعهدهنده: Google LLC

قیمت: رایگان

همه چیز کاملاً ساده و با دقت چشمگیر کار می کند. به عنوان بخشی از آزمایشات، من با استفاده از این برنامه و یک گوشی هوشمند اندازه گیری کردم Samsung Galaxy S20 Ultra طول، عرض و مورب صفحه نمایش تلویزیون شما و گوشی ابعاد را به نزدیکترین سانتی متر می دهد.

تاری پس زمینه هنگام عکس گرفتن

یکی از کاربردهای سیستم رندر سه بعدی ممکن است ایجاد عمق میدان دیجیتال باشد تا بتوانید پس‌زمینه‌ای تار به عکس‌ها یا ویدیوهای خود اضافه کنید. این فقط برای عکس‌ها در حال حاضر کار می‌کند، نه ویدیوها. این عملکرد همچنین به ما این امکان را می دهد که از شر اشیاء غیرضروری که وارد قاب شده اند یا پس زمینه هایی که تصور تصویر را خراب می کنند خلاص شویم.

علاوه بر این، در برخی از تلفن‌ها، حسگر ToF از فوکوس خودکار پشتیبانی می‌کند یا به شما امکان می‌دهد پس‌زمینه را با دقت بیشتری در حالت پرتره محو کنید. به‌طور خلاصه، به شما کمک می‌کند سلفی‌های بهتری بگیرید تا فالوورهای خود را خوشحال کنید، مانند in Instagram.

ردیابی حرکت

گوشی هوشمند ال‌جی G8 ThinQ دارای یک حسگر ToF است که در پنل جلویی قرار دارد که از جمله برای تشخیص حرکات انجام شده در فضا استفاده می‌شود. من واقعاً نمی خواهم در مورد احتمالات استفاده از چنین حرکاتی صحبت کنم، بهتر است خودتان ببینید.

Google Play همچنین دارای چندین بازی حرکتی شبیه به مواردی است که توسط کنترلر پشتیبانی می شود Microsoft کینکت.

ایجاد مدل های سه بعدی و واقعیت افزوده

امکان ایجاد مدل های سه بعدی با کمک دوربین ToF را می توان بی پایان در مورد آن صحبت کرد. در حال حاضر، می‌توانید از عکس‌های سلفی از زوایای مختلف برای ایجاد مدلی از چهره خود استفاده کنید و حتی اگر چاپگر سه بعدی در دست دارید، آن را چاپ کنید. البته یکی می گوید اینها فقط بازی و سرگرمی هستند. اما کاملاً ممکن است که در آینده از دوربین های ToF برای ساخت قطعات خودرو یا مکانیزم های دیگر استفاده شود.

واقعیت مجازی و افزوده به طور فزاینده ای به طور مداوم در خانه ما را می زند. بازی هایی با پشتیبانی از واقعیت افزوده به طور فزاینده ای در گوشی های هوشمند ظاهر می شوند Android و iOS هیجان انگیز، آموزشی است و به شما امکان می دهد وقت خود را با سود بگذرانید. به طور خاص، در بازار Play می توانید تعداد زیادی برنامه و بازی با پشتیبانی از پلت فرم Google ARCore را پیدا کنید. کافی است اپلیکیشن Google Play Services for AR را دانلود و نصب کنید و این گونه بازی ها و اپلیکیشن ها به صورت واقعیت افزوده در دسترس شما قرار خواهند گرفت. دقیقاً استفاده از دوربین ToF است که به شما امکان می دهد تا از جلوه واقعیت افزوده به طور کامل لذت ببرید.

به نوبه خود، در جدید Apple حسگر عمق iPad Pro مسئول پوشش دقیق‌تر اشیاء مجازی روی تصویر دوربین در حالت واقعیت افزوده است.

گوشی هوشمند به عنوان یک دستگاه دید در شب؟

در حال حاضر، برای اکثر دستگاه‌ها، حسگر ToF تقریباً به‌طور نامحسوس برای کاربر کار می‌کند و تنها از عملکردهایی پشتیبانی می‌کند که نیاز به تعیین عمق صحنه دارند.

با این حال، در Google Play یک برنامه عالی به نام دید در شب پیدا کردم که به شما امکان می دهد از اسکنر سه بعدی در نقشی غیرعادی استفاده کنید. روی مال خودم نصب کردم Huawei P30 Pro

دانلود کد QR

نمایشگر TOF / دید در شب

توسعهدهنده: برنامه نویسی Lubos Vonasek

قیمت: رایگان

این برنامه آنچه را که حسگر ToF می گیرد را به صورت لحظه ای نمایش می دهد. از آنجایی که از نور مادون قرمز استفاده می کند که برای چشم انسان نامرئی است، نقشه عمق حتی در تاریکی مطلق به وضوح قابل مشاهده است.

من از اینکه چنین حسگر کوچکی چقدر می تواند یک منطقه را اسکن کند شگفت زده شدم. انتظار داشتم که بعد از چند ده سانتی متر خالی شود، اما در عمل معلوم شد که می توانید یک نقشه سه بعدی از کل اتاق را در یک لحظه ایجاد کنید. دوربین ToF به راحتی شکل اجسام کوچک را در فاصله 4-5 متری تشخیص می دهد.

کودک شما به ویژه چنین دستگاه دید در شب را دوست دارد. من مطمئن هستم که او بلافاصله برای کشف تاریک ترین گوشه های آپارتمان یا خانه شما خواهد دوید.

دوربین ToF به عنوان یک سنسور بیومتریک

دوربین ToF اغلب به شکل دو سوراخ مینیاتوری اجرا می شود که در آن دیود مادون قرمز و ماتریس پنهان شده اند. در اینجا این سؤال مطرح می شود: «چرا Apple آیا نمی‌خواهید از این فناوری به‌جای سیستم TrueDepth خود استفاده کنید که حسگرهای متعدد آن بیش از نیمی از عرض صفحه نمایش گوشی را اشغال می‌کنند؟»

دلیل آن احتمالاً کیفیت پایین اسکن است. دوربین‌های ToF مورد استفاده در گوشی‌های هوشمند در حال حاضر وضوح بسیار پایینی دارند (تا 240p) و در نتیجه تصاویری با پیکسل‌های بالا ایجاد می‌کنند.

همانطور که می بینید، جزئیات چنین اسکنی برای نرم افزار برای شناسایی دقیق ویژگی های صورت بسیار کوچک است.

اما شخصاً هیچ گونه منع مصرفی نمی بینم که طبق آن اسکنر صورت نمی تواند در حالت ترکیبی کار کند. از نظر تئوری، همزمان که دوربین سلفی ویژگی‌های صورت را تجزیه و تحلیل می‌کند و چشم‌های باز را تشخیص می‌دهد، حسگر ToF بررسی می‌کند که آیا واقعاً با یک جسم سه‌بعدی با یک شکل و اندازه خاص سروکار دارد یا خیر، نه عکس.

فریب چنین اسکنر به طور بالقوه بسیار دشوار است، و در عین حال سریع، ارزان و غیر تهاجمی است. بنابراین اگر در آینده نزدیک تعجب نکنم Apple از فناوری ToF برای ایجاد نسل بعدی اسکنر Face ID استفاده می کند، بنابراین این نوع تشخیص چهره سه بعدی رایج تر خواهد شد.

من موفق شدم آن را در Huawei P40 Pro دقیقاً چنین سنسور ToF را نصب کرده است که بین دوربین جلوی دوگانه قرار دارد و در فرآیند باز کردن قفل چهره شرکت می کند. و من هنوز متعجب بودم که چرا باز کردن قفل توسط چهره فعال است Huawei P40 Pro بسیار سریعتر از مدل قبلی خود P30 Pro است. علاوه بر این قطعا فریب پرچمدار جدید با کمک عکس غیرممکن است. فقط من چک کردم

برنامه های آینده برای فیلمسازان موبایل

هر کسی که از گوشی هوشمند خود برای فیلمبرداری استفاده می کند، بسیار علاقه مند می شود که از فناوری 3D ToF برای افزودن عمق میدان کم به پس زمینه استفاده شود. به خصوص اگر فرآیند را بتوان به پس از تولید منتقل کرد، زیرا انعطاف پذیری بیشتری را فراهم می کند.

همچنین، قابلیت‌های ToF برای کسانی که جلوه‌های کامپیوتری را به ویدیوهای خود اضافه می‌کنند، جالب است. به عنوان مثال، هنگام ردیابی حرکت در یک ویدیو، بهتر است تا حد امکان بر روی جسم تمرکز کنید. استفاده از نقشه سه بعدی به ما امکان می دهد تا از همه چیز در فوکوس عکس برداری کنیم و بعداً در صورت نیاز تاری پس زمینه و جلوه های ویژه را اضافه کنیم.

این فقط یک حدس و گمان از جانب من است، اما اسکن سه بعدی مطمئناً پتانسیل بسیار زیادی برای بهبود فرآیند ضبط ویدیو دارد. این قبلاً توسط سینمای مدرن ثابت شده است و امیدوارم به زودی در بخش مصرف کننده ظاهر شود.

دلیل اینکه این عملکردها هنوز در دوربین گوشی های هوشمند هنگام فیلمبرداری در دسترس نیستند احتمالاً به نیاز به افزایش قدرت پردازش مربوط می شود. آزمایش ثابت کرده است که گوشی های هوشمند هنگام استفاده از حسگر ToF گرم می شوند. و از آنجایی که آنها خنک کننده فعال ندارند، این می تواند کمی مشکل ساز باشد.

اما با افزایش قدرت پردازنده‌های موبایل، فکر می‌کنم دوربین‌های ToF بیشتر در برنامه‌های عکس و فیلم استفاده می‌شوند.

یک چیز را می توان با اطمینان گفت - ToF پتانسیل بالایی دارد

این واقعیت که یک تلفن هوشمند می تواند به عنوان یک دستگاه اندازه گیری فاصله بسیار دقیق یا یک دستگاه دید در شب عمل کند، به این معنی است که من دیگر هرگز تلفنی بدون سنسور ToF نخواهم خرید. این یکی از جالب ترین فناوری های سال های اخیر است و تنها در ابتدای راه است.

شگفت انگیز است که چنین سنسور کوچکی می تواند کارهای زیادی انجام دهد. من می گویم که سازندگان و توسعه دهندگان برنامه به کار بر روی بهره برداری از قابلیت های آن ادامه خواهند داد. من مطمئن هستم که بیش از یک بار در مورد برنامه های جدید دوربین ToF خواهیم شنید. و حالا چه کسی می گوید که این یک اضافه شدن غیر ضروری به مجموعه اصلی دوربین های گوشی های هوشمند است؟