ক্যামেরা-ভিত্তিক টাইম-অব-ফ্লাইট (টিওএফ) সেন্সরগুলি সক্রিয়ভাবে নির্গত আলোর রাউন্ড-ট্রিপ সময় পরিমাপ করে ৩ডি পরিবেশগত তথ্য অর্জনের একটি দ্রুত ও সুবিধাজনক পদ্ধতি সরবরাহ করে। এই গবেষণাপত্রটি সেন্সরের কর্মক্ষমতা অনুমান, পরীক্ষামূলক ত্রুটি বুঝতে এবং অপটিক্যাল ইফেক্টগুলির গভীর বিশ্লেষণের জন্য একটি ব্যাপক সিমুলেশন পদ্ধতি উপস্থাপন করে। যেখানে শব্দ এবং অপটিক্যাল জটিলতা ব্যাপক, সেখানে বাস্তব-বিশ্বের প্রয়োগে সেন্সরের সীমাবদ্ধতা চিহ্নিত করা, পরিমাপের দৃঢ়তা উন্নত করা এবং প্যাটার্ন স্বীকৃতি ক্ষমতা বাড়ানোর জন্য এই সিমুলেশন অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।
টিওএফ সেন্সরগুলি একটি উৎস থেকে একটি বস্তুতে এবং তারপর ডিটেক্টরে ফিরে আসতে আলোর ভ্রমণের সময় পরিমাপ করে প্রতি-পিক্সেল দূরত্ব গণনা করে।
ডি-টিওএফ সরাসরি সংক্ষিপ্ত আলোর পালসের রাউন্ড-ট্রিপ সময় পরিমাপ করে। ৫০ মিটার পর্যন্ত দূরত্বের জন্য, এর জন্য অত্যন্ত সংক্ষিপ্ত পালস এবং এক্সপোজার সময় (যেমন, ১.৫ মিটারের জন্য ১০ ন্যানোসেকেন্ড) প্রয়োজন, যা গিগাহার্টজ রেঞ্জে কাজ করে। সংশ্লিষ্ট সাহিত্যে (জারাবো এট আল., ২০১৭) উল্লিখিত হিসাবে, এটি প্রায়শই একটি নিম্ন সিগন্যাল-টু-নয়েজ রেশিও (এসএনআর) এর কারণ হয়।
ফেজ-ভিত্তিক টিওএফ (পি-টিওএফ) নামেও পরিচিত, এই পরোক্ষ পদ্ধতিটি আলোর উৎসকে মডুলেট করে এবং প্রাপ্ত সিগন্যালের সাথে সম্পর্ক স্থাপন করে। বেশিরভাগ আধুনিক টিওএফ ক্যামেরা অ্যামপ্লিচিউড মডুলেটেড কন্টিনিউয়াস ওয়েভ (এএমসিডব্লিউ) বা কন্টিনিউয়াস ওয়েভ ইনটেনসিটি মডুলেশন (সিডব্লিউআইএম) নীতি ব্যবহার করে। নির্গত এবং প্রাপ্ত সিগন্যালের মধ্যে একটি ফেজ শিফট পরিমাপ করা হয়, সাধারণত প্রতি পিক্সেলে একটি ফোটন মিক্সার ডিভাইস (পিএমডি) এবং লক-ইন ডিমডুলেশন ব্যবহার করে (শোয়ার্টে এট আল., ১৯৯৭; ল্যাঞ্জ, ২০০০)। চিত্র ১ সিস্টেমের উপাদানগুলি চিত্রিত করে।
চিত্র ১: এএমসিডব্লিউ ব্যবহার করে একটি ক্যামেরা-ভিত্তিক টিওএফ সেন্সরের পরিমাপ নীতি (ড্রামল এট আল., ২০১৫ থেকে অভিযোজিত)। ডায়াগ্রামটি ৩ডি ইমেজ সেন্সর, মডুলেটেড আলোর উৎস (এলইডি/ভিসিএসইএল), লেন্স, পিক্সেল ম্যাট্রিক্স, এ/ডি কনভার্টার, সিকোয়েন্স কন্ট্রোলার, হোস্ট কন্ট্রোলার এবং ফলস্বরূপ ডেপথ ম্যাপ গণনা দেখায়।
মূল অবদান হল অপটিক্যাল ইফেক্টগুলির গভীর বিশ্লেষণ সক্ষমকারী একটি সিমুলেশন পদ্ধতি।
সিমুলেশনটি জ্যামিতিক অপটিক্স মডেলের মধ্যে একটি রেট্রেসিং ভিত্তি ব্যবহার করে। এটি ডিটেক্টরে পৌঁছানোর আগে দৃশ্যের মাধ্যমে উৎস(গুলি) থেকে পৃথক আলোক রশ্মিগুলির গতিপথ অনুসরণ করতে দেয়, একাধিক বস্তু এবং ক্যামেরা লেন্সের সাথে মিথস্ক্রিয়া বিবেচনা করে।
গভীরতা গণনা অপটিক্যাল পাথ লেংথ (ওপিএল) এর উপর ভিত্তি করে, যা জ্যামিতিক পাথ লেংথ এবং মাধ্যমের প্রতিসরাঙ্কের গুণফল হিসাবে সংজ্ঞায়িত করা হয়: $OPL = \int n(s) \, ds$। এটি গভীরতার জন্য মাস্টার প্যারামিটার, বিভিন্ন ধরনের টিওএফ সেন্সর (ডি-টিওএফ, সি-টিওএফ) সিমুলেশন সক্ষম করে এবং ট্রানজিয়েন্ট ইমেজিং মূল্যায়ন সমর্থন করে।
পদ্ধতিটি উচ্চ-নির্ভুলতা অপটিক্যাল রে ট্রেসিং এবং লেন্স মডেলিংয়ের জন্য জেম্যাক্স অপটিকস্টুডিও ব্যবহার করে বাস্তবায়িত হয়, যা দৃশ্য তৈরি, ডেটা প্রক্রিয়াকরণ, বিশ্লেষণ এবং সেন্সর মডেল (যেমন, ডিমডুলেশন, শব্দ) বাস্তবায়নের জন্য পাইথনের সাথে যুক্ত।
এই কাঠামোটি জটিল বাস্তব-বিশ্বের অপটিক্যাল ঘটনাগুলিকে বিবেচনা করার জন্য ডিজাইন করা হয়েছে যা টিওএফ সেন্সরগুলিকে চ্যালেঞ্জ করে।
মাল্টি-পাথ ইন্টারফেরেন্স (এমপিআই) সিমুলেট করে, যেখানে আলো সেন্সরে পৌঁছানোর আগে একাধিক পৃষ্ঠ থেকে প্রতিফলিত হয়, যা গভীরতা ত্রুটির একটি প্রাথমিক উৎস। রেট্রেসার এই জটিল পথগুলি ট্র্যাক করে।
আধা-স্বচ্ছ উপকরণ (যেমন, কাচ, প্লাস্টিক) এর মাধ্যমে আলোর পরিবহন মডেল করে, যেখানে সাবসারফেস স্ক্যাটারিং এবং অভ্যন্তরীণ প্রতিফলন ঘটে, যা পরিমাপকৃত ফেজ এবং অ্যামপ্লিচিউডকে প্রভাবিত করে।
স্ফেরিক্যাল এবারেশন, ক্রোম্যাটিক এবারেশন এবং ডিস্টরশনের মতো লেন্স ইফেক্টগুলিকে অন্তর্ভুক্ত করে। এই এবারেশনগুলি অপটিক্যাল পাথ এবং ওয়েভফ্রন্ট পরিবর্তন করে, প্রতি পিক্সেল ফেজ/গভীরতা পরিমাপের নির্ভুলতাকে প্রভাবিত করে।
গবেষণাপত্রটি একটি সাধারণ ৩ডি পরীক্ষার দৃশ্যে প্রধান বৈশিষ্ট্যগুলি প্রদর্শন করে। প্রদত্ত অংশে নির্দিষ্ট পরিমাণগত ফলাফল বিস্তারিতভাবে বর্ণনা করা না হলেও, প্রদর্শনী সম্ভবত সিমুলেশনের ক্ষমতাগুলি প্রদর্শন করে:
সিমুলেশন আউটপুটগুলির মধ্যে ইরেডিয়েন্স ম্যাপ, ফেজ ম্যাপ এবং চূড়ান্ত ডেপথ ম্যাপ অন্তর্ভুক্ত থাকবে, পাশাপাশি সিমুলেটেড ফলাফলগুলিকে গ্রাউন্ড ট্রুথের সাথে তুলনা করে ত্রুটি মেট্রিক্স থাকবে।
সিমুলেশনের নির্ভুলতা নির্ভর করে সঠিক ভৌত মডেলিংয়ের উপর। মূল সমীকরণগুলির মধ্যে রয়েছে:
অপটিক্যাল পাথ লেংথ (ওপিএল): $OPL = \sum_{i} n_i \cdot d_i$, যেখানে $n_i$ হল প্রতিসরাঙ্ক এবং $d_i$ হল সেগমেন্ট $i$ এর জ্যামিতিক দূরত্ব।
সি-টিওএফ-এর জন্য ফেজ শিফট: পরিমাপকৃত ফেজ শিফট $\phi$ ওপিএল এবং মডুলেশন ফ্রিকোয়েন্সি $f_{mod}$ এর সাথে সম্পর্কিত: $\phi = 2 \pi \cdot 2 \cdot \frac{OPL}{c} \cdot f_{mod} = 4 \pi f_{mod} \frac{OPL}{c}$, যেখানে $c$ হল আলোর গতি। ২ এর ফ্যাক্টরটি রাউন্ড ট্রিপের জন্য দায়ী। গভীরতা $z$ তখন: $z = \frac{c \cdot \phi}{4 \pi f_{mod}}$।
সিগন্যাল মডেল: একটি মাল্টি-ট্যাপ পিএমডি-এর জন্য একটি পিক্সেলে সম্পর্কযুক্ত সিগন্যাল $S$ কে মডেল করা যেতে পারে: $S_k = \alpha \int_{0}^{T} I_{emit}(t) \cdot I_{demod,k}(t - \tau) \, dt + \eta$, যেখানে $\alpha$ হল আলবেডো/রিফ্লেক্ট্যান্স, $I_{emit}$ হল নির্গত তীব্রতা, $I_{demod,k}$ হল ট্যাপ $k$ এর জন্য ডিমডুলেশন ফাংশন, $\tau$ হল ওপিএলের সমানুপাতিক সময় বিলম্ব, $T$ হল ইন্টিগ্রেশন সময়, এবং $\eta$ হল শব্দ।
এই কাজটি শুধু আরেকটি সিমুলেশন টুল নয়; এটি আদর্শিক অপটিক্যাল ডিজাইন এবং টিওএফ সেন্সিং-এর জটিল বাস্তবতার মধ্যে একটি কৌশলগত সেতু। একীভূতকারী মাস্টার প্যারামিটার হিসেবে অপটিক্যাল পাথ লেংথ (ওপিএল)-কে সমর্থন করে লেখকরা সরল জ্যামিতিক দূরত্বের বাইরে চলে গেছেন। এটি একটি গভীর পরিবর্তন। এটি বাণিজ্যিক টিওএফ-এর দুর্বলতা সরাসরি মোকাবেলা করে: মাল্টি-পাথ ইন্টারফেরেন্স (এমপিআই) এবং উপাদান বৈশিষ্ট্য থেকে সিস্টেমিক ত্রুটি, যা ওপিএল-নির্ভর ঘটনা। তাদের পদ্ধতি আলোর পরিবহনকে প্রথম-শ্রেণীর নাগরিক হিসেবে বিবেচনা করে, এটি সম্ভব করে তোলে যে কেন কোণে, কাচের কাছে বা পরিবেষ্টিত আলোর নিচে ডেপথ ম্যাপগুলি ব্যর্থ হয়—বেশিরভাগ বিক্রেতার ডেটাশিটে এই স্তরের বিশ্লেষণ মারাত্মকভাবে অনুপস্থিত।
যুক্তিটি সূক্ষ্মভাবে শিল্পসম্মত: গ্রাউন্ড ট্রুথ সংজ্ঞায়িত করুন (রেট্রেসিংয়ের মাধ্যমে ওপিএল) → সেন্সরের অসম্পূর্ণ পরিমাপ সিমুলেট করুন (মডুলেশন/ডিমডুলেশন, শব্দ যোগ করুন) → পার্থক্য বিশ্লেষণ করুন। এই প্রবাহ সেন্সর চরিত্রায়নের সেরা অনুশীলনগুলিকে প্রতিফলিত করে কিন্তু সিমুলেশনে সক্রিয়ভাবে প্রয়োগ করে। অপটিক্সের জন্য জেম্যাক্স এবং সেন্সর লজিকের জন্য পাইথনের ব্যবহার একটি নমনীয়, মডুলার পাইপলাইন তৈরি করে। যাইহোক, যুক্তিগত শৃঙ্খলে একটি দুর্বল লিঙ্ক রয়েছে: গবেষণাপত্রটি ব্যাপকভাবে ইঙ্গিত দেয় কিন্তু সিমুলেটেড, নিখুঁত ওপিএল ম্যাপ থেকে চূড়ান্ত, শব্দযুক্ত, ডিমডুলেটেড পিক্সেল মানগুলিতে রূপান্তরের কঠোর বিবরণ দেয় না। ভৌত অপটিক্স থেকে সেন্সর ইলেকট্রনিক্সে লাফ হল সেই সমালোচনামূলক ইন্টারফেস যেখানে বেশিরভাগ ত্রুটি জন্ম নেয়, এবং এর মডেলিং গভীরতা অস্পষ্ট থেকে যায়।
শক্তি: পদ্ধতির সমন্বিততা হল এর কিলার ফিচার। একটি কাঠামোতে এমপিআই, আংশিক স্বচ্ছতা, এবং লেন্স এবারেশন সিমুলেশন করা বিরল। এই সামগ্রিক দৃষ্টিভঙ্গি অপরিহার্য, কারণ এই প্রভাবগুলি অ-রৈখিকভাবে মিথস্ক্রিয়া করে। শিল্প-মানের জেম্যাক্স ব্যবহার করে ব্যবহারিক বাস্তবায়ন তাৎক্ষণিক বিশ্বাসযোগ্যতা এবং গবেষণা ও উন্নয়ন দলগুলিতে স্থানান্তরযোগ্যতা প্রদান করে। মিতসুবা বা ব্লেন্ডার সাইকেলসের মতো বিশুদ্ধভাবে একাডেমিক রেন্ডারারগুলির তুলনায়, যা ভিজ্যুয়াল নির্ভুলতার উপর ফোকাস করে, এই পাইপলাইনটি মেট্রোলজির জন্য উদ্দেশ্যপ্রণোদিতভাবে তৈরি।
ত্রুটি ও অন্ধ স্পট: ঘরের হাতি হল গণনামূলক খরচ। জটিল, ডিফিউজ মাল্টি-পাথ দৃশ্যের জন্য সম্পূর্ণ জ্যামিতিক রেট্রেসিং কুখ্যাতভাবে ব্যয়বহুল। গবেষণাপত্রটি ত্বরণ কৌশল (যেমন, দ্বি-দিকনির্দেশক পাথ ট্রেসিং, ফোটন ম্যাপিং) বা অর্জনযোগ্য কর্মক্ষমতা সম্পর্কে নীরব, যা পুনরাবৃত্তিমূলক ডিজাইনের জন্য এর উপলব্ধিতার উপযোগিতা সীমিত করে। দ্বিতীয়ত, এটি ওয়েভ অপটিক্সকে প্রান্তিক করে বলে মনে হয়। সমন্বয়, পাতলা ফিল্মে হস্তক্ষেপ বা অপবর্তনের মতো প্রভাব—যা ক্ষুদ্রায়িত সেন্সর এবং ভিসিএসইএল অ্যারের জন্য ক্রমবর্ধমান প্রাসঙ্গিক—জ্যামিতিক অপটিক্স মডেলের বাইরে। ক্ষেত্রটি পিকোসেকেন্ড টাইমিং সহ এসপিএডি-ভিত্তিক ডি-টিওএফ-এর দিকে এগিয়ে যাওয়ায়, এটি একটি উল্লেখযোগ্য সীমাবদ্ধতা হয়ে ওঠে। অবশেষে, বাস্তব-বিশ্বের সেন্সর ডেটার বিরুদ্ধে বৈধতা শুধুমাত্র ইঙ্গিত করা হয়েছে; ভৌত ক্যামেরার বিরুদ্ধে পরিমাণগত ত্রুটি বেঞ্চমার্ক ছাড়া, সিমুলেশনের ভবিষ্যদ্বাণীমূলক শক্তি একটি দাবি হিসাবে থেকে যায়।
টিওএফ সিস্টেম ইন্টিগ্রেটর এবং ডিজাইনারদের জন্য, এই গবেষণাপত্রটি একটি নীলনকশা প্রদান করে। কার্যক্রম ১: ওপিএল-কেন্দ্রিক বিশ্লেষণ মানসিকতা গ্রহণ করুন। গভীরতা ত্রুটি ডিবাগ করার সময়, প্রথমে আপনার দৃশ্যে সন্দেহভাজন অপটিক্যাল পাথের তারতম্য ম্যাপ করুন। কার্যক্রম ২: উৎপাদনের জন্য ডিজাইন পর্যায়ে এই সিমুলেশন কাঠামো ব্যবহার করুন। শুধু আদর্শ লেন্স সিমুলেট করবেন না; সহনশীলতা সহ এটি সিমুলেট করুন এবং তারপর গভীরতা ত্রুটি বাজেট বিশ্লেষণ করুন। কার্যক্রম ৩: কাঠামোকে আরও এগিয়ে নিয়ে যান। অপটিক্যাল এবং ইলেকট্রনিক শব্দের উৎসগুলিকে একসাথে সিমুলেট করার জন্য এটিকে ইলেকট্রনিক ডিজাইন অটোমেশন (ইডিএ) টুলগুলির সাথে সংহত করুন। টিওএফ-এর ভবিষ্যৎ এই সহ-ডিজাইনে নিহিত। গবেষণা সম্প্রদায়ের উচিত এই ধরনের পাইপলাইন ওপেন-সোর্সিং করে এটির উপর গড়ে ওঠা, যেমন স্ট্যানফোর্ডের Open3D বা এমআইটির ট্রানজিয়েন্ট ইমেজিং কাজ আলোর পরিবহন বিশ্লেষণকে গণতান্ত্রিক করেছে। চূড়ান্ত লক্ষ্য হল টিওএফ সেন্সরগুলির জন্য একটি "ডিজিটাল টুইন"—এই গবেষণাপত্রটি সেই দিকে একটি মৌলিক পদক্ষেপ, কিন্তু বৈধতা, ত্বরণ এবং সংহতকরণের ভারী কাজটি অবশিষ্ট রয়েছে।
প্রস্তাবিত সিমুলেশন কাঠামো ভবিষ্যতের কাজ এবং প্রয়োগের জন্য বেশ কয়েকটি পথ উন্মুক্ত করে: