Vichunguzi vya Muda wa Safari (ToF) vya kamera vinatoa njia ya haraka na rahisi ya kupata taarifa za mazingira ya 3D kwa kupima muda wa safari ya mwanga unaotolewa kikamilifu. Karatasi hii inawasilisha utaratibu kamili wa uigaji ili kukadiria utendaji wa kichunguzi, kuelewa makosa ya majaribio, na kuchambua kwa kina athari za mwanga. Uigaji huu ni muhimu sana katika kutambua mipaka ya kichunguzi, kuboresha uthabiti wa vipimo, na kuimarisha uwezo wa kutambua muundo katika matumizi halisi ambapo kelele na utata wa mwanga ni kawaida.
Vichunguzi vya ToF huhesabu umbali kwa kila pikseli kwa kupima muda unaotumika na mwanga kusafiri kutoka chanzo hadi kwenye kitu na kurudi kwenye kichunguzi.
D-ToF hupima moja kwa moja muda wa safari ya mipigo mifupi ya mwanga. Kwa umbali hadi mita 50, hii inahitaji mipigo mifupi sana na nyakati za kufichua (mfano, 10 ns kwa 1.5 m), ikifanya kazi katika safu ya GHz. Hii mara nyingi husababisha uwiano wa chini wa ishara-kwa-kelele (SNR), kama ilivyoelezwa katika fasihi inayohusiana (Jarabo et al., 2017).
Inajulikana pia kama ToF kulingana na awamu (P-ToF), mbinu hii isiyo ya moja kwa moja hurekebisha chanzo cha mwanga na kuhusianisha ishara iliyopokelewa. Kamera nyingi za kisasa za ToF hutumia kanuni ya Wimbi la Kudumu la Marekebisho ya Ukubwa (AMCW) au Marekebisho ya Ukubwa wa Wimbi la Kudumu (CWIM). Mabadiliko ya awamu kati ya ishara zilizotolewa na zilizopokelewa hupimwa, kwa kawaida kwa kutumia kifaa cha kuchanganya fotoni (PMD) kwa kila pikseli na udemodulation wa Lock-In (Schwarte et al., 1997; Lange, 2000). Mchoro 1 unaonyesha vipengele vya mfumo.
Mchoro 1: Kanuni ya upimaji ya kichunguzi cha ToF cha kamera kwa kutumia AMCW (ilichukuliwa kutoka Druml et al., 2015). Mchoro unaonyesha kichunguzi cha picha cha 3D, chanzo cha mwanga kilichorekebishwa (LED/VCSEL), lensi, safu ya pikseli, kigeuzi cha A/D, kidhibiti cha mlolongo, kidhibiti mwenyeji, na hesabu ya ramani ya kina inayotokana.
Mchango mkuu ni utaratibu wa uigaji unaowezesha uchambuzi wa kina wa athari za mwanga.
Uigaji hutumia msingi wa ufuatiliaji wa miale ndani ya muundo wa optiki ya kijiometri. Hii inaruhusu kufuatilia miale ya mwanga binafsi kutoka vyanzo kupitia eneo la tukio, kuzingatia mwingiliano na vitu vingi na lensi ya kamera kabla ya kufikia kichunguzi.
Hesabu ya kina inategemea urefu wa njia ya mwanga (OPL), unaofafanuliwa kama bidhaa ya urefu wa njia ya kijiometri na fahirisi ya kinzani ya kati: $OPL = \int n(s) \, ds$. Hiki ndicho kigezo kikuu cha kina, kikiwezesha uigaji wa aina mbalimbali za vichunguzi vya ToF (D-ToF, C-ToF) na kusaidia tathmini za upigaji picha wa muda mfupi.
Utaratibu huu unatekelezwa kwa kutumia Zemax OpticStudio kwa ufuatiliaji wa miale wa optiki wa hali ya juu na uundaji wa lensi, pamoja na Python kwa uzalishaji wa eneo la tukio, usindikaji wa data, uchambuzi, na utekelezaji wa miundo ya vichunguzi (mfano, udemodulation, kelele).
Mfumo huu umeundwa kuzingatia matukio magumu ya mwanga ya ulimwengu halisi ambayo yanawapa changamoto vichunguzi vya ToF.
Huuiga usumbufu wa njia nyingi (MPI), ambapo mwanga huakisi kutoka nyuso nyingi kabla ya kufikia kichunguzi, chanzo kikuu cha makosa ya kina. Kifuatiliaji miale hufuatilia njia hizi ngumu.
Huuiga usafirishaji wa mwanga kupitia vifaa vinavyopenya kiasi (mfano, kioo, plastiki), ambapo mtawanyiko wa chini ya uso na mwonekano wa ndani hufanyika, na hii inaathiri awamu na ukubwa uliopimwa.
Hujumuisha athari za lensi kama vile uharibifu wa duara, uharibifu wa rangi, na uvunjaji umbo. Uharibifu huu hubadilisha njia ya mwanga na mbele ya wimbi, na hii inaathiri usahihi wa vipimo vya awamu/kina kwa kila pikseli.
Karatasi hii inaonyesha vipengele vikuu kwenye eneo rahisi la majaribio la 3D. Ingawa matokeo maalum ya kiasi hayajadiliwa kwa kina katika dondoo iliyotolewa, uthibitishaji huenda ukionyesha uwezo wa uigaji wa:
Matokeo ya uigaji yatakuwa ni pamoja na ramani za mnururisho, ramani za awamu, na ramani za mwisho za kina, pamoja na vipimo vya makosa vinavyolinganisha matokeo yaliyoguliwa na ukweli wa msingi.
Uaminifu wa uigaji unategemea uundaji sahihi wa fizikia. Milinganyo muhimu ni pamoja na:
Urefu wa Njia ya Mwanga (OPL): $OPL = \sum_{i} n_i \cdot d_i$, ambapo $n_i$ ni fahirisi ya kinzani na $d_i$ ni umbali wa kijiometri katika sehemu $i$.
Mabadiliko ya Awamu kwa C-ToF: Mabadiliko ya awamu yaliyopimwa $\phi$ yanahusiana na OPL na mzunguko wa marekebisho $f_{mod}$: $\phi = 2 \pi \cdot 2 \cdot \frac{OPL}{c} \cdot f_{mod} = 4 \pi f_{mod} \frac{OPL}{c}$, ambapo $c$ ni kasi ya mwanga. Kipengele cha 2 kinazingatia safari ya kwenda na kurudi. Kina $z$ basi ni: $z = \frac{c \cdot \phi}{4 \pi f_{mod}}$.
Muundo wa Ishara: Ishara iliyohusishwa $S$ kwenye pikseli kwa PMD yenye tap nyingi inaweza kuigwa kama: $S_k = \alpha \int_{0}^{T} I_{emit}(t) \cdot I_{demod,k}(t - \tau) \, dt + \eta$, ambapo $\alpha$ ni albedo/uwiano wa mwonekano, $I_{emit}$ ni ukubwa uliotolewa, $I_{demod,k}$ ni utendakazi wa udemodulation kwa tap $k$, $\tau$ ni ucheleweshaji wa wakati unaolingana na OPL, $T$ ni muda wa kuunganisha, na $\eta$ ni kelele.
Kazi hii sio zana nyingine ya uigaji tu; ni daraja la kimkakati kati ya muundo bora wa optiki na ukweli mgumu wa kuhisi ToF. Kwa kutangaza Urefu wa Njia ya Mwanga (OPL) kama kigezo kikuu cha kuunganisha, waandishi wanapita zaidi ya umbali rahisi wa kijiometri. Hii ni mabadiliko makubwa. Inashughulikia moja kwa moja doa la Achilles la ToF ya kibiashara: makosa ya kimfumo kutoka kwa usumbufu wa njia nyingi (MPI) na sifa za vifaa, ambazo ni matukio yanayotegemea OPL. Mbinu yao inachukulia usafirishaji wa mwanga kama raia wa daraja la kwanza, na hii inafanya iwezekane kufafanua kwa nini ramani za kina zinashindwa katika pembe, karibu na kioo, au chini ya mwanga wa mazingira—kiwango cha uchambuzi kinachokosekana sana katika karatasi nyingi za data za wauzaji.
Mantiki ni ya kiwanda kwa ustadi: Fafanua ukweli wa msingi (OPL kupitia ufuatiliaji wa miale) → Igiza kipimo kisicho kamili cha kichunguzi (kuongeza marekebisho/udemodulation, kelele) → Chambua tofauti. Mtiririko huu unaonyesha mazoea bora katika sifa za kichunguzi lakini unaitumia kwa nia ya kukabiliana katika uigaji. Matumizi ya Zemax kwa optiki na Python kwa mantiki ya kichunguzi huunda mfereji mbadala, wenye moduli. Hata hivyo, mnyororo wa kimantiki una kiungo dhaifu: karatasi inasisitiza sana lakini haijaelezea kwa kina tafsiri kutoka kwa ramani kamili ya OPL iliyoguliwa hadi thamani za mwisho za pikseli zenye kelele, zilizodemoduliwa. Kuruka kutoka optiki ya fizikia hadi elektroniki za kichunguzi ndio kiolesura muhimu ambapo makosa mengi yanazaliwa, na kina cha uundaji wake bado haijafahamika wazi.
Nguvu: Ukamilifu wa mbinu ndio kipengele chake kikuu cha kushinda. Kuiga MPI, uwazi wa mwanga, na uharibifu wa lensi katika mfumo mmoja ni nadra. Mtazamo huu wa jumla ni muhimu, kwani athari hizi zinaingiliana kwa njia isiyo ya mstari. Utekelezaji wa vitendo kwa kutumia Zemax ya kiwango cha tasnia huleta uaminifu wa haraka na uhamishaji kwa timu za R&D. Ikilinganishwa na vichoraji vya kitaaluma kama Mitsuba au Blender Cycles, ambavyo huzingatia uaminifu wa kuona, mfereji huu umejengwa kwa madhumuni ya upimaji.
Kasoro na Mapungufu ya Mtazamo: Tembo katika chumba ni gharama ya kompyuta. Ufuatiliaji kamili wa miale wa kijiometri kwa maeneo magumu, yenye mtawanyiko wa njia nyingi ni ghali sana. Karatasi hii haijazungumzia mbinu za kuharakisha (mfano, ufuatiliaji wa njia pande mbili, uchoraji wa fotoni) au utendaji unaoweza kufikiwa, na hii inapunguza matumizi yake yanayoonwa kwa muundo wa kurudia. Pili, inaonekana kuweka pembeni optiki ya mawimbi. Athari kama mshikamano, usumbufu katika filamu nyembamba, au mtawanyiko—zinazokuwa muhimu zaidi kwa vichunguzi vidogo na safu za VCSEL—ziko nje ya muundo wa optiki ya kijiometri. Kadri uwanja unavyoelekea kuelekea dToF yenye msingi wa SPAD na uwekaji wakati wa pikosekunde, hii inakuwa kikwazo kikubwa. Mwisho, uthibitishaji dhidi ya data halisi ya kichunguzi umeonyeshwa tu kwa ishara; bila viwango vya makosa vya kiasi dhidi ya kamera halisi, uwezo wa utabiri wa uigaji bado ni madai.
Kwa waunganishaji na wabunifu wa mfumo wa ToF, karatasi hii inatoa mchoro. Hatua ya 1: Kukubali mtazamo wa uchambuzi unaozingatia OPL. Unaporekebisha makosa ya kina, kwanza chora ramani ya mabadiliko ya njia ya mwanga yanayotarajiwa katika eneo lako la tukio. Hatua ya 2: Tumia mfumo huu wa uigaji katika hatua ya kubuni-kwa-uzalishaji. Usiige tu lensi bora; iige na uvumilivu na kisha uchambue bajeti ya makosa ya kina. Hatua ya 3: Sukuma mfumo huu zaidi. Unganisha na zana za otomatiki ya muundo wa elektroniki (EDA) ili kuiga pamoja vyanzo vya kelele vya optiki na elektroniki. Baadaye ya ToF iko katika muundo huu wa pamoja. Jamii ya watafiti inapaswa kujenga juu ya hili kwa kufungua chanzi mifereji kama hii, sawa na jinsi Open3D ya Stanford au kazi ya upigaji picha wa muda mfupi ya MIT ilivyodemokrasia uchambuzi wa usafirishaji wa mwanga. Lengo la mwisho ni "mzazi wa dijiti" kwa vichunguzi vya ToF—karatasi hii ni hatua ya msingi katika mwelekeo huo, lakini kazi nzito ya uthibitishaji, kuharakisha, na kuunganisha bado iko.
Mfumo wa uigaji uliopendekezwa unafungua njia kadhaa za kazi na matumizi ya baadaye: