Vad är en flygtidssensor och hur fungerar ToF?

I takt med att smartphones blir mer avancerade packar de också en allt större mängd sensorer som matar tillbaka data till enheten för att göra användarupplevelsen bättre.

Moderna smartphones har in-display fingeravtryckssensorer, LiDAR, bättre och större kamerasensorer än någonsin, och på vissa enheter, även Time of Flight (ToF) sensorer. Men av alla olika sensorer du kommer att se på din telefon slår ToF-sensorn ut, mest för att den påverkar de saker vi gör på våra smartphones på ett väldigt speciellt och obemärkt sätt.

Vad är en flygtidssensor (ToF)?

En Time of Flight (ToF)-sensor, även kallad en ToF-kamera, är en specialiserad sensor som mäter djup eller avstånd till ett föremål genom att sända ut en infraröd ljusstråle och mäta tiden returnerar. Därav namnet, Time of Flight.

Detta är mycket likt LiDAR-kamerorna som finns i iPhone Pro-serien och till och med på vissa smartphones (inklusive iPhone) ansiktsdetektionssystem, där enheten skapar en infraröd karta över ägarens ansikte och använder den som en referens mot personen den ser för att avgöra om enheten ska låsas upp eller inte. Som sagt,

ToF-sensorer och LiDAR har sina skillnader.

Att använda reflekterat ljus (eller ljud) för att mäta avstånd är inte heller en ny idé. Liknande enheter som ultraljuds- och IR-sensorer har funnits mycket längre och ger i princip samma funktionalitet, om än med mycket mindre detaljer. En ToF-sensors fördelar inkluderar exakta och snabba mätningar, längre räckvidd och säkerhet vid användning.

Jämfört med andra 3D-djupmätningstekniker är ToF-sensorer relativt billiga att tillverka och använda. De kräver inte mycket processorkraft, vilket gör dem idealiska för användningsfall som smartphones, där att känna till djupet på ett visst objekt kan hjälpa till att underlätta funktioner som porträttläge, och processorkraften är på topp.

ToF-sensorer tillverkas av olika tillverkare, inklusive Sony, som förser Apple med 3D-sensorer med hjälp av ToF-teknik. Andra populära ToF-sensortillverkare inkluderar TeraRanger One, Lucid, Adafruit och ASC TigerCub.

Hur fungerar en tidssensor (ToF)?

Som nämnts tidigare använder ToF-sensorer infrarött ljus för att mäta ett objekts avstånd från sensorn. En liten infraröd laser skjuter ljus, som studsar av ett föremål och återgår till sensorn. Sensorn kan noggrant mäta avståndet för ett föremål genom att mäta den tid det tog för ljuset att studsa tillbaka och återvända till kameran.

Eftersom vi redan vet ljusets hastighet och det faktum att det färdas exakt dubbelt så långt mellan sensorn och objektet blir det enkelt att räkna ut avståndet med hjälp av en grundläggande formel:

(Ljushastighet x flygtid)/2

Vissa ToF-kameror kan också använda kontinuerliga vågor för att upptäcka fasförskjutningar i det reflekterade ljuset för att bestämma både djup och avstånd. Återigen, beroende på vilken typ av sensor du använder, kanske du kan extrahera mycket information. Detta kan användas för att skapa 3D-kartor över sensorns omgivning.

Var används ToF-sensorer?

Som nämnts användes ToF-sensorer i många smartphones som en "djup" kamera för att hjälpa enhetens huvudkamera att producera högkvalitativa porträttfoton. Dessa bilder syftar till att skapa ett grunt skärpedjup för att replikera en kameralins. Eftersom det är avgörande att känna till djupet på olika objekt i sådana foton för att få rätt suddig bakgrund, kan ToF-kameror och sensorer göra stor skillnad.

Dessutom används ToF-kameror även i biometrisk autentisering, där en enhet med en ToF-kamera kan skapa en 3D-karta av ett ansikte att använda som referens för att låsa upp enheten. Detta är i huvudsak hur teknik för ansiktslåsning fungerar, inklusive Apples Face ID. Det är också säkrare än att bara jämföra två bilder för att avgöra en matchning, eftersom det finns mer data att arbeta med jämfört med traditionella datorsyn algoritmer som arbetar på 2D-data.

De används ofta i elbilar och andra navigationssystem tack vare deras objektdetekteringsförmåga och höga pollingfrekvens, som kan vara nästan 160Hz på vissa sensorer. Detta gör dem perfekta för realtidsapplikationer som objektdetektering, navigering och till och med suddig bakgrund på dina Zoom-samtal.

Denna förmåga att skilja mellan motiv och bakgrund tillämpas också ofta på 3D-utskrift. ToF-kameror kan enkelt replikera ett verkligt objekt i alla tre dimensioner, vilket sparar dig besväret med att designa det från grunden, särskilt om det är en komplex struktur.

ToF-sensorer hjälper också till med 3D-avbildning och förbättrar AR-upplevelser förutom objektskanning, gestnavigering och inomhusnavigering.

Du kan hitta ToF-sensorer på Microsofts Xbox Kinect och andra projekt för gestigenkänning, drönare och AR-headset. Sammantaget innebär deras mångsidighet att deras användningsfall sträcker sig från var som helst mellan en kamerasvit med smartphones till en autonom bils navigationssystem.

Behöver du en ToF-kamera på din telefon?

Inte riktigt.

Beräkningsfotografering har kommit långt, och de flesta moderna smartphones har tillräckligt bra programvara för att separera motivet från bakgrunden helt med hjälp av programvara. Dessutom, när det kommer till smartphonefotografering, kan megapixelantal och kamerasensorstorlek göra en mycket större skillnad.

Även om det fanns en tid då ToF-kameror ofta sågs på flaggskeppssmartphones, finns de nu mestadels på medelstora enheter eller på iPhone Pro-serien i form av LiDAR-sensorer, ett koncept som fungerar på Time of Flight princip.

Men att ha en ToF-kamera på din telefon kan vara praktiskt ibland, särskilt när det gäller biometrisk autentisering. Det kan också tillhandahålla ett verktyg för avståndsmätning inbyggt i din telefon och ge mer djupdata till programvaran för beräkningsfotografering som körs på din telefon, vilket resulterar i ännu bättre porträttläge skott.

Lär känna dina sensorer

Smartphones fylls med fler och fler sensorer för att göra din upplevelse så mycket bättre. En ToF-kamera är bara ytterligare en av de där sensorerna på din telefon som inte kan användas direkt men som kan göra stor skillnad för flera andra funktioner.