Qu’est-ce qu’un capteur de temps de vol (ToF) ?
Le capteur de temps de vol (ToF) porte un nom particulier. Cela ne signifie pas nécessairement qu’il calculera le temps pendant lequel un objet volant est en l’air, ni qu’il mesurera le temps précis pendant lequel un objet décolle du sol. Avant de comprendre ce que fait un capteur ToF, il est essentiel de comprendre ce qu’est la ToF. La ToF mesure le temps nécessaire à un objet physique pour parcourir une distance donnée à travers un support. En règle générale, cette mesure permet de déterminer la vitesse et la longueur de la trajectoire, mais elle peut également être utilisée pour connaître les dimensions d’un objet.
Un capteur de temps de vol peut utiliser toutes les informations obtenues grâce aux principes de la ToF pour des applications telles que le mouvement des robots, les interfaces homme-machine, – comme le capteur Kinect de deuxième génération pour la Xbox One – les caméras de smartphones, la vision industrielle, et même la topographie terrestre. Bien que toutes ces utilisations ne soient pas exactement les mêmes, les informations fournies peuvent servir à toutes les fins. Maintenant que nous avons établi ce que peut faire un capteur ToF, il est tout aussi important de déterminer en quoi il consiste, comment il génère l’information et, enfin, à quelles fins spécifiques cette information peut servir dans le monde de la robotique.
Qu'est-ce qui compose un capteur ToF ?
D’un point de vue général, un capteur ToF ne nécessite pas des décennies de recherche pour comprendre son fonctionnement. Il se compose de plusieurs parties, mais aucune n’est particulièrement obscure ou difficile à assembler.
La première partie est l’objectif, ce qui, étant donné qu’il s’agit essentiellement d’un appareil photo, est assez facile à comprendre. L’objectif lui-même, comme tout autre appareil photo, recueille la lumière réfléchie car il ne peut pas produire de lumière par lui-même ni acquérir un signal de profondeur à partir de la lumière ambiante. Selon une étude scientifique réalisée par Subhash Chandra Sadhu pour Texas Instruments, les caméras ToF ont « des exigences particulières auxquelles il faut répondre lors de la sélection ou de la conception des lentilles ». Bien que le reste de l’étude explique les détails (qu’il explique très bien), il est important de comprendre ces limitations si vous voulez fabriquer vos propres capteurs ToF.
La caméra ToF comprend également une source lumineuse intégrée qui permet d’éclairer la vue. Étant donné que toute la lumière doit provenir du capteur, il est également important de s’assurer qu’aucune source de lumière extérieure, comme la lumière du soleil, ne perturbe la prise d’image.
Il y a ensuite le capteur d’image, la pièce maîtresse de la caméra ToF. Le capteur se charge des tâches les plus lourdes, en stockant toutes les informations de l’image capturée, y compris le temps nécessaire à la lumière pour aller de la source lumineuse intégrée à l’objet, puis revenir.
Enfin, il y a l’interface, qui affiche les données capturées. C’est l’aspect le moins visible de la FdF, mais il est tout de même essentiel !
Comment fonctionne un capteur de temps de vol ?
Le capteur de temps de vol est capable de capturer des informations de profondeur pour chaque pixel de l’image capturée. Il est principalement utilisé pour les applications de vision industrielle et ses avantages comprennent la construction compacte du capteur, sa relative facilité d’utilisation, une précision d’environ 1 cm et des fréquences d’images élevées.
Un capteur ToF peut déterminer la distance et la profondeur de deux manières principales.
Le premier est un capteur ToF basé sur des sources lumineuses poussées. Ce formulaire mesure le temps nécessaire à une impulsion lumineuse pour aller de l’émetteur à la scène et revenir. Une fois que tout a été mesuré et pris, par la magie des mathématiques et des algorithmes, la distance et la profondeur de tous les objets capturés par le capteur sont calculées et déterminées.
Au Studio Seeed, ils ont créé un graphique qui décrit simplement, mais avec précision, le fonctionnement du processus.
C’est assez facile, non ?
La seconde méthode est une ToF basée sur des ondes continues qui détecte le déphasage de la lumière réfléchie. L’amplitude modulante crée une source lumineuse sous forme sinusoïdale avec une fréquence connue. Le détecteur détermine alors le déphasage (décalage lorsque le graphique des fonctions sinus et cosinus se déplace vers la gauche ou vers la droite par rapport à leur position standard) de la lumière réfléchie.
Une fois ce processus réalisé, d’autres calculs sont effectués pour déterminer la distance et la profondeur de tous les objets capturés par le capteur.
Si les résultats finaux des deux méthodes sont similaires, les parcours sont différents. L’éclairage de l’ensemble de la scène, quelle que soit la méthode, permettra de déterminer la distance et la profondeur de chaque objet scanné par le capteur, le tout en une seule prise de vue.
Résultat? Une carte de distance dans laquelle les pixels codent la distance de chaque point de la scène capturée.
Chez Melexis, ils ont montré une image en profondeur d’un homme dans une voiture. Les couleurs sont représentées comme suit :
– Les sections bleues indiquent que le(s) point(s) est (sont) éloigné(s)
– Une section rouge indique une plus grande proximité avec le capteur
Avantages et limites des capteurs de temps de vol
Comme tout ensemble d’outils technologiques, il y a des avantages et des inconvénients.
Les avantages évidents de l’utilisation de capteurs ToF pour les mesures 3D sont les suivants :
- Captures à plus haute résolution.
- Capacités en temps réel – plus besoin d’attendre des jours pour obtenir un résultat.
- Fonctionne dans des conditions de faible luminosité – il est même possible qu’il n’y ait pas de lumière.
- Les coûts ne sont pas très élevés.
En revanche, ses limites méritent d’être prises en compte, au cas où vos besoins ne correspondraient pas à ce que peut faire un capteur ToF. Elles sont les suivantes :
- Présence de lumière dispersée due à des réflexions indésirables.
- Les surfaces externes lumineuses proches de l’appareil photo peuvent rapidement diffuser trop de lumière dans l’objectif, créant ainsi des artefacts.
- La mesure de la distance ToF nécessite une lumière qui n’a été réfléchie qu’une seule fois.
- Si une lumière a été réfléchie plusieurs fois, les mesures peuvent être faussées. Ces réflexions multiples sont généralement causées par des coins et des formes concaves.
- La lumière ambiante et la lumière du soleil rendent plus difficiles les prises de vue en extérieur (la lumière du soleil provoque la saturation des pixels du capteur).
Dans quels contextes de fabrication pouvez-vous utiliser les capteurs ToF ?
Les capteurs ToF sont très pratiques dans de nombreuses applications, notamment la logistique, l’automatisation des usines, la robotique et les véhicules autonomes.
Dans le domaine de la logistique, les capteurs ToF peuvent aider à guider les bras robotisés pour l’aide à l’emballage, le remplissage des boîtes, l’empilage, le balayage des volumes et l’étiquetage. Une étude de cas de pick-and-place menée par Lucid chez Pensur, une société d’ingénierie, a examiné comment les systèmes de vision 3D ont permis un processus beaucoup plus efficace et ont libéré un temps précieux pour les employés qui étaient obligés d’effectuer ce travail subalterne jour après jour.
Dans le contexte de l’automatisation des usines, les capteurs ToF peuvent guider les robots pour qu’ils trouvent et ramassent des objets et les placent là où ils doivent être. Pensez à l’assemblage d’une voiture. Rien ne change d’une voiture à l’autre, mais les capteurs ToF indiquent où se trouvent toutes les choses et où elles doivent se trouver.
Les capteurs ToF peuvent également être utilisés dans le contexte de la navigation maritime, dans la mesure où les capteurs peuvent utiliser la reconnaissance d’objets basée sur l’IA. Cela permet d’accroître la sécurité des bateaux pendant la navigation en détectant les objets susceptibles d’entrer en conflit avec la trajectoire du navire, tels que les bateaux de pêche, les bouées et les débris, qui ne peuvent pas être détectés en utilisant uniquement le radar du navire.
IDenTV a montré sur sa page YouTube un bref exemple du fonctionnement de ces caméras et de la rapidité avec laquelle elles peuvent détecter des objets, même à grande distance.
Enfin, pour les robots autonomes, un capteur ToF peut aider un robot à planifier et à exécuter une tâche de manière autonome. Qu’il s’agisse de ponçage, de revêtement par poudre ou de peinture par lots, le capteur ToF peut aider le robot à comprendre les dimensions spécifiques de chaque objet et, avec l’aide du bon logiciel, à exécuter chaque tâche nécessaire en sachant où commencer et où s’arrêter.
Les capteurs ToF sont au cœur d’AutonomyOS™. Ils sont la clé de la première étape : la perception 3D, qui aide les robots autonomes à comprendre ce qu’ils doivent faire en temps réel.