Stále častěji se v chytrých telefonech setkáváme s takzvanými 3D senzory, neboli hloubkovými senzory. Většina z nich se také nazývá ToF senzory, podobně jako stejnojmenná technologie. Podle pověstí bude takový senzor instalován v novém iPhone (tam se nazývá LiDAR, o tom jsme mluvili podrobněji v jiném materiálu). Tyto senzory jsou poměrně drahé, ale ne každý chápe, proč jsou potřeba. Výrobci tvrdí, že senzory umožňují pořizovat lepší fotografie a portréty nebo přidávat funkce do rozšířené reality. Ale je tomu skutečně tak?
Dnes si probereme, proč jsou v chytrých telefonech potřeba 3D senzory, jak to funguje a samozřejmě provedeme několik testů a zkontrolujeme prohlášení výrobců.
Co je 3D senzor (senzor hloubky)
Nejprve si ujasněme, co je to 3D senzor? Kamery snímají projekci okolního světa do roviny. Z jediné fotografie nemůžete pochopit skutečnou velikost předmětu – ať už je to velikost láhve nebo šikmá věž v Pise. A nechápete ani vzdálenost.
Aby bylo možné porozumět skutečným velikostem objektů na fotografii, měřítku fotografování a rozlišit, co je blíže fotoaparátu a co je dále, jsou zapotřebí 3D senzory. Dlouho se aktivně používají v robotice, autonomní dopravě, hrách, medicíně a mnoha dalších. Naše oči jsou navíc také 3D senzorem. Navíc na rozdíl od senzorů LiDAR a ToF v chytrých telefonech jsou oči pasivní 3D senzor. To znamená, že nevyzařuje žádné světlo, ale funguje pouze na základě příchozího světla. Jen díky tomu se můžeme nějak pohybovat v prostoru a interagovat s okolními předměty. Nyní se 3D senzory objevily v chytrých telefonech.
Jak ToF funguje?
LiDAR v iPadu, stejně jako všechny 3D senzory v chytrých telefonech Android, jsou zkráceně senzory doby letu nebo ToF. Zjišťují vzdálenosti objektů kolem nich přímým měřením toho, jak dlouho trvá světlu, než se dostane z fotoaparátu k objektu a zpět. To je velmi podobné ozvěně v jeskyni po odrazu od stěn, také se k nám vrací se zpožděním; Světlu trvá urazit 1 metr 3 nanosekundy a 1 pikosekund urazit 30 cm. Vše se zdá být jasné. Ale je tu problém.
Jedná se o velmi malé časové úseky. Jak to může kamera změřit? Nebude to trvat miliardu snímků za sekundu a pak je porovnat? Existují 2 hlavní přístupy k řešení tohoto problému: dToF (přímý ToF) a iToF (nepřímý ToF). A aby vás zaujalo ještě více: naprostá většina smartphonů Android používá senzory iToF, zatímco LiDAR v Apple iPad a pravděpodobně i v připravovaném iPhonu je vzácným zástupcem rodiny senzorů dToF. V čem se tedy liší?
iToF – nepřímý ToF
Začněme s iToF. V takových senzorech emitor vysílá vysokofrekvenčně modulované světlo, to znamená, že světlo se neustále zapíná a vypíná s frekvencí desítek milionůkrát za sekundu. Vzhledem k tomu, že světlo potřebuje čas na cestu k objektu a zpět, je fáze, tedy tento stav někde mezi zapnutým a vypnutým, světla vracejícího se do kamery mírně odlišná od fáze světla v okamžiku odesílání. Na senzoru jsou původní a odražené signály od objektu superponovány na sebe a díky tomu je určen fázový posun, což vám umožní pochopit vzdálenost ke každému bodu objektu.
dToF – přímý ToF
dToF funguje trochu jinak. Tyto senzory přímo měří časový rozdíl mezi odesláním světla a detekcí jeho odrazu na senzoru. K tomu se používají tzv. SPADy: jednofotonové lavinové diody. Mohou detekovat extrémně malé pulsy světla, ve skutečnosti dokonce zachytit jednotlivé fotony. Takové SPADy jsou umístěny v každém pixelu snímače. A jako zářič v takových senzorech se obvykle používá tzv. VCSEL – Vertical Cavity, Surface Emitting Laser. Jedná se o laserový emitor, podobný těm, které se používají u laserových myší a mnoho dalších věcí. Snímač dToF v LiDAR byl vyvinut společně se společností Sony a je prvním sériově vyráběným komerčním snímačem dToF.
Proč iPad používá dToF senzor, můžeme jen hádat, ale povšimněme si výhod takového senzoru. Za prvé, na rozdíl od iToF senzoru emitor nevyzařuje souvislou světelnou stěnu, ale svítí pouze do samostatných směrů, což šetří baterii. Za druhé, snímač dToF je méně náchylný k chybám v měření hloubky v důsledku takzvaného vícecestného rušení. Toto je typický problém s iToF senzory. Dochází k němu v důsledku odrážení světla mezi objekty před dopadem na senzor a zkresluje měření senzoru.
Přišli jsme na to, jak to funguje, pojďme se nyní podívat, proč se 3D senzory obecně používají v chytrých telefonech.
Proč je to potřeba u smartphonů?
1. Zabezpečení
Za první hromadné zavedení 3D senzorů do smartphonů vděčíme Apple a technologii Face ID. Rozpoznávání obličeje pomocí XNUMXD dat je mnohem přesnější a spolehlivější než klasické rozpoznávání obličeje z fotografií. Pro Face ID využívá Apple technologii strukturovaného podsvícení, u které se podrobněji pozastavíme příště.
2. AR
Většina výrobců tvrdí, že kvalitnější a přesnější režim rozšířené reality je hlavním cílem 3D senzorů. Navíc je podporován přímo společností Google. Zrovna nedávno odhalili nadcházející aktualizaci své knihovny pro rozšířenou realitu ARCore, která umožňuje realističtější umístění virtuálních objektů v realitě a interakci se skutečnými objekty.
Pro stejný úkol Apple zabudoval LiDAR do iPadu Pro. To se sice obejde bez 3D senzoru, ale s ním vše funguje přesněji a spolehlivěji, navíc se úloha stane výpočetně mnohem jednodušší a odlehčí procesoru. 3D senzor posouvá AR na jinou úroveň.
3. Vylepšení fotografie
Řada výrobců, například Samsung a HUAWEI, tvrdí, že 3D snímač slouží především pro lepší rozostření pozadí a přesnější automatické ostření při natáčení videa. Jinými slovy, umožňuje zvýšit kvalitu běžných fotografií a videí.
4. Ostatní
Některé smartphony mají otevřený přístup k datům senzorů, takže se objevuje stále více aplikací, které nabízejí nové aplikace. Pomocí externích aplikací lze například použít 3D senzor pro měření objektů, trojrozměrné skenování a sledování pohybu. Existuje dokonce aplikace, která vám umožní proměnit váš smartphone v zařízení pro noční vidění.
Testy
Vyřešili jsme, jak to funguje teoreticky, nyní se podívejme, jak to funguje v praxi, a zda jsou tyto drahé 3D senzory ve vlajkových lodích k něčemu užitečné. Na testy jsme vzali Redmi Note 9S, má ToF senzor a udělali jsme několik snímků na výšku, ale ve druhém případě jsme 3D kameru jednoduše zakryli prstem. A toto se stalo.
Je to jednoduché – rozostření je opravdu větší a lepší, pokud funguje ToF.
A pro frekvenci experimentu jsme vzali Samsung Galaxy S20 Ultra, který také dostal ToF kameru.
A najít alespoň jeden rozdíl?
co se stane? Faktem je, že v závislosti na výrobci se kamera ToF používá různými způsoby a v různé míře.
Můžeme říci, že někteří výrobci smartphonů mají ToF senzory ve svých smartphonech ne pro marketing, pro přidání dalšího fotoaparátu, ale spíše pro každý případ. A pak se algoritmy rozhodnou, zda tuto kameru použít nebo ne?
Zároveň v tuto chvíli není přímá potřeba LiDAR nebo ToF kamer. Tak tohle je asi trochu marketingovější.
Průmyslový senzor nebo senzor – Jedná se o prvek měřicího, regulačního, signalizačního nebo regulačního zařízení, který převádí řízenou veličinu (tlak, teplotu, frekvenci, sílu, proud atd.) na signál vhodný pro záznam, měření, ukládání, zpracování, přenos. V literatuře se snímačům také často říká měřicí převodníky. Jsou součástí mnoha automatizačních systémů. Senzory se používají při konstrukci automatizovaných řídicích systémů pro různé technologické procesy; pro efektivní řízení mechanismů, strojů, instalací, které vyžadují měření různých fyzikálních veličin. Historicky a logicky jsou senzory spojeny s měřicími přístroji, ale hodnoty těchto přístrojů jsou nejčastěji čteny osobou a senzory se zpravidla používají v automatickém režimu. Obecný pojem senzor byl posílen právě při vývoji automatizačních a monitorovacích systémů, jako prvek zobecněného logického řetězce: senzor – řídicí zařízení – akční člen – řídicí objekt.
Klasifikace senzorů
V závislosti na typu měřeného parametru existují: pohybové senzory (lineární a úhlové), senzory síly, poloha, rychlost, zrychlení, snímače hladiny, průtok, teplota, tlak a mnoho dalších. Dnes je přibližně následující rozložení podílu měření fyzikálních veličin v průmyslu: teplota – 50 %, průtok – 15 %, tlak – 10 %, hladina – 5 %, množství – 5 %, čas – 4 %, el. a magnetické veličiny – méně než 4 %.
Teplotní senzor
Teplotní senzor – Je to zařízení, které mění elektrický odpor nebo sepne/rozepne kontakty podle změn teploty. Protože se podmínky a rozsah měření mohou navzájem značně lišit, byly vyvinuty typy teplotních senzorů, které se liší odolností proti rušení, přesností a rychlostí. Teplotní čidla se dělí na Kontakt и senzory přiblížení (senzory infračerveného záření, pyrometry, akustické snímače teploty).
Kontaktní senzory, které měří teplotu látky přímo v kontaktu s ní, zahrnují širokou škálu teplotních senzorů s různými principy činnosti: termočlánky, termostaty, termistory. Společný pro všechny typy snímačů teploty je princip převodu: naměřená teplota se převádí na elektrickou veličinu, která se snadno zpracovává a přenáší.
Tlakoměr
Tlakoměr – Jedná se o zařízení, u kterého jsou výstupní fyzikální parametry závislé na tlaku studovaného média (kapalina, plyn, pára). Jakýkoli tlakový senzor se skládá z primárního převodníku; části těla; obvody pro přepracování signálu. Tlakové senzory se mezi sebou liší rozsahem a přesností měření, přijatelnými provozními podmínkami a váhovými a rozměrovými parametry. Tyto charakteristiky závisí na principu přeměny tlaku na elektrický signál: piezorezistivní, kapacitní, tenzometrický, indukční, rezonanční, piezoelektrický, ionizační a další. Pro měření proměnných tlaků se používají snímače s analogovým výstupním signálem, pro rychle proměnlivé pak piezoelektrické snímače tlaku.
Průmyslové snímače hladiny
Průmyslové snímače hladiny – Jedná se o zařízení, která určují množství sypké nebo kapalné látky v určité nádobě na základě úrovně jejího povrchu.. V závislosti na principu činnosti mohou snímače hladiny produkovat diskrétní nebo spojitý signál, být bezkontaktní и Kontakt. Všechny tyto vlastnosti ovlivňují konstrukci, cenu a rozsah hladinových snímačů. Na základě principu činnosti se rozlišují následující typy snímačů hladiny: plovákový, kapacitní, radarový, hydrostatický и ultrazvukové.
Nejpřesnější jsou radarové a ultrazvukové snímače hladiny, jejich hlavní nevýhodou je vysoká cena. Hydrostatické snímače jsou levné, kompaktní, relativně jednoduché, schopné produkovat spojitý signál, ale nejsou bezkontaktní, což znemožňuje jejich použití v agresivním prostředí. Nejlevnější jsou plovákové snímače hladiny, které však vyžadují ponoření do kapaliny a mají pohyblivé prvky. Kapacitní snímače hladiny nemají žádné pohyblivé prvky, ale mají výraznou teplotní závislost.
Senzory síly
Měření síly se provádějí při vážení předmětů, provádění mechanického výzkumu, ve stavebnictví atd. K tomuto účelu využívají senzory síly – zařízení, která převádějí sílu na elektrický signál. Existují dvě třídy snímačů síly: kvantitativní и kvalita. Kvantitativní senzory představují hodnotu síly v elektrických jednotkách. Patří mezi ně tenzometry a momentové prvky.
Vysoce kvalitní snímače síly – jedná se o prahová zařízení, která detekují překročení dané úrovně působící síly. Takové senzory se často používají k detekci polohy a pohybu objektů.
Fotoelektrické senzory
Oči moderní průmyslové automatizace jsou fotoelektrické senzory. Umožňují přesně detekovat objekty bez fyzického kontaktu. Takové senzory používají paprsek světla, který je přerušen nebo odražen od objektu. Fotoelektrické senzory pracují hlavně v infračervené oblasti spektra. Jsou rozděleny do tří hlavních typů:
- T-type (THRU-BEAM) – fotoelektrické snímače pro přerušení optického paprsku;
- R-type (RETRO)) – fotoelektrické snímače s odrazem od retroreflektoru/reflektoru;
- D-type (DIFFUSE) – fotoelektrické senzory s odrazem od objektu.
Mezi našimi partnery jsme se již etablovali jako spolehlivý dodavatel senzorů, pokud jste připraveni na nákup zařízení, zavolejte nebo použijte objednávkový formulář. Pokud máte nějaké dotazy, kontaktujte nás, vždy vám rádi pomůžeme!