La أصبحت الكاميرا نقطة البيع الرئيسية للهواتف المحمولة.خاصةً عندما نتحدث عن الهواتف متوسطة المدى وعالية الجودة. يقدم كل جيل مستشعرات جديدة، وعددًا أكبر من الميغابكسل، كما هو الحال في... XIAOMI مي ملاحظة 10تقنيات تكبير وتصغير مذهلة لم نكن نراها إلا في بيئات العمل الاحترافية قبل فترة ليست ببعيدة. ومن بينها جميعًا، بدأ مصطلح واحد بالظهور بشكل متكرر في المواصفات الفنية: TOF.
ربما تكون قد رأيت عبارة "كاميرا ToF" أو "مستشعر عمق ToF" عند النظر إلى هواتف سامسونج، هواوي P40ربما اشتريت هاتفًا من HONOR أو LG أو Oppo أو غيرها من العلامات التجارية ولم تلاحظ ذلك بعد. إنها ليست مجرد موضة عابرة أو حيلة تسويقية بحتة، بل هي تقنية متطورة لاستشعار العمق، طُوّرت في الصناعة والبحث العلمي، وتُستخدم في أجهزة مثل Kinect، وتجد الآن مكانها في الهواتف المحمولة لتحسين الصور والفيديوهات والأمان والإيماءات والواقع المعزز.
ما هو ToF في كاميرا الهاتف المحمول؟
يرمز ToF إلى "وقت الرحلة".في الهواتف الذكية، عندما نتحدث عن كاميرا أو مستشعر قياس العمق بتقنية زمن الرحلة (ToF)، فإننا نشير إلى نوع من كاميرات العمق التي تحسب المسافة إلى كل نقطة في المشهد باستخدام الأشعة تحت الحمراء. تُعرف هذه الأنظمة أيضاً بكاميرات قياس العمق ثلاثية الأبعاد، أو كاميرات العمق ثلاثية الأبعاد، أو ببساطة كاميرات ToF.
المفهوم مشابه جدًا لـ السونار أو الرادار، ولكن باستخدام الضوء بدلاً من الصوتيُصدر الهاتف شعاعًا ضوئيًا بالأشعة تحت الحمراء باتجاه ما يقع أمامه. يصطدم هذا الضوء بالأجسام والأشخاص، ثم يرتد ويعود إلى الهاتف. وبقياس الزمن الذي يستغرقه هذا الشعاع في الذهاب والإياب، ومعرفة سرعة الضوء، يستطيع النظام حساب المسافة إلى كل نقطة يرصدها المستشعر.
لا يتم إجراء هذا القياس لنقطة واحدة، بل لآلاف أو مئات الآلاف. يتم توزيعها في جميع أنحاء المشهد. وبهذه الطريقة، يحصل الجهاز المحمول على خريطة عمق ثلاثية الأبعاد، حيث لا يخزن كل بكسل اللون أو شدة الإضاءة فحسب، بل يخزن أيضًا المسافة التي تفصله عن باقي المشهد. وبفضل هذه الخريطة، يفهم البرنامج المشهد من منظور حجمي: فهو يعرف ما هو أمامه، وما هو خلفه، وأين توجد الفجوات والحواف والزوايا، وما إلى ذلك.
ومن المهم أن يكون واضحا أن لا تحل كاميرا ToF محل الكاميرا "العادية" للهاتف المحمول.لم يُصمم هذا الجهاز لالتقاط الصور والفيديوهات مباشرةً، بل ليعمل في الخلفية كمستشعر داعم. فهو يوفر بيانات عمق عالية الدقة يدمجها المعالج مع صورة RGB من الكاميرات الأخرى لتحسين وضع البورتريه، والتركيز، والتعرف ثلاثي الأبعاد على الوجه، والواقع المعزز، والتحكم بالإيماءات.
في بعض الهواتف المحمولة المتطورة، تم دمج أكثر من مستشعر ToF واحديوجد كاميرتان في الخلف، مصممتان أساسًا للتصوير الفوتوغرافي والفيديو والواقع المعزز والقياسات؛ وأخرى في الأمام، تركز على التعرف المتقدم على الوجه والإيماءات الهوائية. ويمكن إيجاد أمثلة واضحة في أجهزة مثل سامسونج جالاكسي إس 10 5G أو في بعض منتجات إل جي وهونور وهواوي وأوبو.
مكونات كاميرا ToF في الهاتف الذكي
كاميرا ToF ليست مجرد "نقطة" سوداء أخرى بجوار عدسات الهاتف المحمول؛ إنه نظام صغير ومتكامل يتكون من عدة عناصر تعمل معًا.على الرغم من أنها تبدو للوهلة الأولى كثقب صغير، إلا أن هناك الكثير مما لا تراه العين.
جوهر المجموعة هو مستشعر ToF، وهو عبارة عن مصفوفة بكسل متخصصةللوهلة الأولى، يبدو وكأنه مستشعر صور تقليدي (مثل CMOS أو CCD)، لكن وحدات البكسل فيه مصممة لتسجيل كيفية وصول ضوء الأشعة تحت الحمراء المنبعث من الهاتف نفسه: فهي تقيس شدته، بالإضافة إلى تغيرات الطور والفارق الزمني بالنسبة لما تم انبعاثه. تعمل كل خلية صغيرة كساعة توقيت فائقة السرعة للضوء الوارد.
أمام المستشعر نجد وحدة بصرية بسيطة، أي عدسة مخصصة وهي المسؤولة عن تركيز الضوء المنعكس من المشهد باتجاه المستشعر. عادةً ما تكون أقل تعقيدًا من بصريات الكاميرا الرئيسية، لكنها تؤدي وظيفة مماثلة: تحديد زاوية الرؤية وضمان وصول الضوء بوضوح إلى كل بكسل من مصفوفة ToF.
لكي ينجح كل هذا، مصدر ضوء الأشعة تحت الحمراء الخاص بكعادةً ما يكون هذا على شكل مصباح LED أو ليزر يُصدر ضوءًا في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) بأطوال موجية نموذجية تتراوح بين 850 و940 نانومتر. ويتم تعديل هذا الضوء عادةً بترددات في حدود عشرات الميغاهرتز (حوالي 20 ميغاهرتز في العديد من التصاميم) بحيث يتمكن المستشعر من التمييز بسهولة بين نبضة "المنزل" والضوء المحيط، وتطبيق تقنيات إزاحة الطور التي تُحسّن بشكل كبير حساب المسافة.
آخر قطعة أساسية في اللغز هي معالج العمققد تكون شريحة مخصصة مدمجة في وحدة الكاميرا أو وحدة ضمن معالج إشارة الصورة (ISP) في نظام الهاتف على شريحة واحدة (SoC). وتتمثل وظيفتها في تحويل البيانات الأولية من المستشعر (قيم البكسل، والأطوار، والأوقات) إلى خريطة عمق واضحة، وتصفية التشويش، وإدارة صورة الأشعة تحت الحمراء ثنائية الأبعاد المحتملة، وإعداد المعلومات لنظام التشغيل والتطبيقات والكاميرات الأخرى لاستخدامها في الوقت الفعلي.
كيفية عمل ToF خطوة بخطوة
على الرغم من وجود الكثير من الهندسة الكامنة وراء ذلك، يمكن شرح المبدأ الفيزيائي لتقنية قياس زمن الرحلة (ToF) بشكل بديهي تمامًا.باختصار، يقيس النظام المدة التي تستغرقها نبضة ضوئية لتغادر المستشعر، وترتد عن الجسم، ثم تعود. وهذا ما يُعرف بـ"زمن الرحلة". ومن ثم، يصبح الأمر كله متعلقًا بعمليات الضرب والقسمة.
تتكرر العملية بأكملها عدة مرات في الثانية الواحدة. ويمكن تقسيمها إلى سلسلة من المراحل التي تعمل باستمرار أثناء تشغيل كاميرا ToF:
- انبعاثيقوم باعث الأشعة تحت الحمراء بإرسال نبضات من ضوء الأشعة تحت الحمراء المعدل باتجاه المشهد أمام الجهاز المحمول.
- التفاعل مع المشهدتنتقل هذه النبضات عبر الهواء، وتصطدم بالأشخاص والأثاث والجدران والنباتات وما إلى ذلك، وينعكس جزء من هذا الضوء عائدًا إلى الهاتف.
- كشفيلتقط مستشعر ToF ضوء الأشعة تحت الحمراء العائد؛ حيث تستقبل كل بكسل الإشارة المنعكسة من نقطة محددة في البيئة.
- قياس الوقت أو الطوريقوم النظام بحساب الفرق بين الإشارة التي تم إرسالها والإشارة التي يتم استقبالها، إما عن طريق قياس الوقت الخالص أو عن طريق تغيير طور الموجة المعدلة.
- حساب المسافةباستخدام الصيغة المسافة = (سرعة الضوء × زمن الرحلة) / 2، يحصل المعالج على المسافة بين كل نقطة؛ ويتم تقسيمها على اثنين لأنها تأخذ في الاعتبار رحلة ذهابًا وإيابًا.
- إنشاء خريطة العمقيتم تجميع كل تلك المسافات في مصفوفة، مما يؤدي إلى إنشاء خريطة عمق حيث يكون لكل بكسل قيمة مسافة مرتبطة به.
الشيء الأكثر أهمية هو أن يتم قياس مجال الرؤية بالكامل في "لقطة" واحدة.لا حاجة لتحريك الكاميرا أو ضبط التركيز على مستوى تلو الآخر، كما هو الحال في الأنظمة الأخرى. فكل إطار من كاميرا ToF يحتوي بالفعل على جميع معلومات العمق للمشهد بأكمله الذي تراه، مما يسمح بالعمل في الوقت الفعلي بسهولة كبيرة.
إذا سبق لك استخدام جهاز Xbox 360 أو Xbox One Kinect، فلديك فكرة جيدة عما يحققه هذا النهج: التعرف على الأشخاص والأشياء والإيماءات بدقة كبيرة في تقنية الأبعاد الثلاثية. في الأساس، تنقل الهواتف المحمولة بتقنية ToF نفس المفهوم إلى شكل أصغر بكثير وأكثر قابلية للحمل، مع تكييفه مع قيود المساحة والطاقة للهواتف الذكية.
علاوة على ذلك، في بعض التصاميم، يتم تعديل ضوء الأشعة تحت الحمراء إلى ترددات محددة لتجنب الخلط مع ضوء الخلفية وتحسين دقة القياسات. من خلال معرفة تردد التضمين، يمكن للنظام حساب المسافات باستخدام تقنيات إزاحة الطور حتى في ظروف الإضاءة المحيطة الصعبة.
مزايا تقنية ToF
لا يقتصر قياس العمق على تقنية قياس زمن الطيران (ToF)؛ بل يمكن القيام بذلك باستخدام الرؤية المجسمة، والضوء المنظم، والليزر التقليدي، أو حتى الخوارزميات البحتة على كاميرا ثنائية الأبعادومع ذلك، فإن نهج زمن الرحلة يتمتع بمجموعة مثيرة للاهتمام من المزايا للأجهزة المحمولة.
إحدى أعظم نقاط قوتها هي استخدام طاقة منخفضةلا يحتاج النظام إلا إلى مصدر ضوء بالأشعة تحت الحمراء ومستشعر متخصص للحصول مباشرةً على معلومات المسافة والسعة لكل بكسل، دون الاعتماد على معالجة مكثفة تُرهق المعالج لفترات طويلة. وبالمقارنة مع تقنيات مثل الضوء المُهيكل (الذي يُسقط أنماطًا معقدة) أو الرؤية المجسمة البحتة (التي تتطلب قدرة حاسوبية كبيرة)، فإن تقنية قياس زمن الرحلة (ToF) أكثر كفاءة في استهلاك البطارية بشكل عام.
ومن المزايا الواضحة الأخرى ما يلي: دقة عالية في قياس العمقتتميز وحدة قياس زمن الرحلة (ToF) المصممة والمعايرة بدقة عالية بقدرتها على القياس بأخطاء دقيقة للغاية، تتراوح بين المليمترات والسنتيمترات، وذلك تبعًا للمسافة إلى الجسم وجودة النظام. وهذا يُحدث فرقًا كبيرًا عند الرغبة في الحصول على وضع تصوير بورتريه "دقيق"، أو تركيز انتقائي ممتاز، أو إعادة بناء ثلاثية الأبعاد للأجسام بمستوى معين من التفاصيل.
قدرته على العمل في في الوقت الفعلي مع زمن استجابة منخفض للغايةيمكن لمستشعر ToF التقاط خرائط العمق الكاملة بسرعة عالية (إطارًا تلو الآخر)، وهو أمر حيوي للتطبيقات التي تتطلب استجابة فورية: تتبع الأشخاص أو الأشياء، والإيماءات في الهواء، والواقع المعزز، والروبوتات القريبة من المستخدم، وما إلى ذلك.
علاوة على ذلك، يوفر هذا النوع من الكاميرات يتميز بنطاق ديناميكي واسع في العمق ويتحمل مجموعة واسعة من ظروف الإضاءة.بفضل إضاءتها بالأشعة تحت الحمراء، فهي أقل اعتمادًا على الضوء المرئي في المشهد. يمكنها العمل في الإضاءة المنخفضة وحتى في الظلام الدامس، مما يجعلها مثالية للتعرف على الوجوه ليلاً، والتحكم بالإيماءات في البيئات ذات الإضاءة الخافتة، أو التصوير الداخلي مع دعم العمق.
وأخيرًا، تجدر الإشارة إلى أنه بالمقارنة مع أنظمة ثلاثية الأبعاد أخرى مثل بعض أجهزة الليدار بعيدة المدى أو معدات الإضاءة المهيكلة المعقدة، تُعد كاميرات ToF رخيصة الثمن نسبيًا وصغيرة الحجم.وهذا يجعل دمجها أسهل بكثير في المنتجات الاستهلاكية واسعة الانتشار مثل الهواتف والأجهزة اللوحية وكاميرات المنازل وروبوتات التنظيف أو أجهزة الواقع المعزز.
عيوب ومحدوديات مستشعرات زمن الطيران
وكأي تقنية أخرى، فإن تقنية قياس زمن الطيران (ToF) لها عيوبها أيضاً. وهو يطرح عدداً من القيود التقنية والتصميمية والتي يجب إدارتها بشكل جيد لتحقيق أقصى استفادة منها.
الأول عادة ما يكون واضحاً: عادة ما تكون دقة مستشعر ToF منخفضة بالمقارنة مع كاميرات الهواتف المحمولة التقليدية، توفر خرائط العمق تفاصيل كافية لفصل الهدف عن الخلفية، والتحكم في الإيماءات، أو قياس الأجسام متوسطة الحجم، لكنها لا تفي بالغرض إذا كنا نريد نمذجة ثلاثية الأبعاد فائقة الدقة أو العمل بتفاصيل صغيرة جدًا.
هناك مشكلة شائعة أخرى وهي القطع الأثرية الناتجة عن الضوء المتناثرقد تعكس الأسطح شديدة اللمعان، أو المتقاربة جدًا، أو ذات الأشكال الهندسية غير المألوفة، كميةً من الضوء تفوق الحاجة نحو المستشعر، مما يُولّد بقعًا أو هالات أو أخطاء في القياس تظهر لاحقًا على شكل "أسنان" أو خطوط غريبة في خريطة العمق. عندها يتدخل البرنامج لتصحيح ما يمكن تصحيحه.
يرتبط بما سبق ما يلي: انعكاسات متعددة في المناطق ذات الزوايا والأسطح المقعرةفي هذه الحالات، قد يرتد الضوء عدة مرات قبل عودته إلى المستشعر، مما يُضيف تأخيرًا إضافيًا يُفسّره النظام على أنه مسافة أكبر من المسافة الفعلية. يُضيف هذا النوع من الخطأ قدرًا من عدم اليقين، ويستلزم ترشيحًا دقيقًا للبيانات لضمان الحصول على نتيجة نهائية موثوقة.
La يُعد الضوء المحيط الشديد، وخاصة ضوء الشمس المباشر، عدوًا كلاسيكيًا آخر. من مستشعرات ToF. في ضوء النهار الساطع، قد يؤدي سطوع الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من البيئة إلى تشبع البكسلات بسرعة، مما يجعل من الصعب للغاية تمييز نبضة الهاتف عن الضوضاء المحيطة. في ظل هذه الظروف، قد يقل نطاق المستشعر الفعال وتنخفض دقته بشكل ملحوظ.
وبعيداً عن الجوانب التقنية البحتة، هناك قيد مادي عادي إلى حد ما: المساحة الداخلية في الهاتف المحمولتتطلب وحدة قياس زمن الرحلة (ToF) مستشعرًا خاصًا بها، وعدسات، وباعثًا للأشعة تحت الحمراء، ما يجعلها تشغل حيزًا مماثلًا تقريبًا لحجم الكاميرا التقليدية. في هيكلٍ يُعد فيه كل ملليمتر مهمًا للبطارية، ومكبرات الصوت، والمودم، والهوائيات، ومحركات الاهتزاز، والمكونات الأخرى، فإن توفير مساحة لـ"عين" إضافية ليس بالأمر الهين بالنسبة للمصنعين.
مقارنة بين تقنية قياس زمن الطيران (ToF) وتقنية الليدار (LiDAR): أوجه التشابه والاختلاف بينهما
غالباً ما يتم دمج تقنيتي ToF و LiDAR معاً لأنه في النهاية، يعتمد كلاهما على قياس المسافات بالضوء وعلى مفهوم زمن الرحلة.ومع ذلك، في الممارسة العملية يتم تنفيذها عادة بشكل مختلف وبأهداف مختلفة قليلاً، على الرغم من أن المزيد والمزيد من المفاهيم يتم خلطها بين الاثنين.
في أنظمة LiDAR الكلاسيكية، وخاصة تلك المستخدمة في المركبات ذاتية القيادة والخرائط المتقدمةعادةً ما تُستخدم أشعة ليزر أكثر قوة وبصريات متخصصة لمسح البيئة على مسافات طويلة، تصل إلى عشرات أو حتى مئات الأمتار. تتميز هذه الأجهزة بدقة ومدى عاليين للغاية، ولكن حجمها وتكلفتها مرتفعان أيضاً.
أما كاميرات ToF الاستهلاكية، من ناحية أخرى، تهدف هذه المنتجات إلى أن تكون صغيرة الحجم، وقابلة للتكامل، وغير مكلفة بشكل معقول.صُممت هذه الأجهزة للعمل على مسافات قصيرة ومتوسطة، وهي المسافة النموذجية بين المستخدم وهاتفه المحمول أو تلفازه أو جهاز الألعاب أو الروبوت المنزلي. لا تحتاج هذه الأجهزة إلى الرؤية لمسافة 100 متر، بل يكفيها فهم ما يحدث على بُعد بضعة سنتيمترات أو بضعة أمتار حول الجهاز.
لذلك، في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية، غالباً ما يكون زمن الرحلة (ToF) هو الخيار المفضل عندما تريد تقديم عمق ثلاثي الأبعاد متكامل دون زيادة التكاليف.على الرغم من أن تقنية LiDAR تشترك في الفكرة الأساسية، إلا أنها عادة ما تكون مخصصة للتطبيقات التي تتطلب دقة فائقة ومدى طويل، مما يبرر استثمار المزيد من الأجهزة.
هذا لا يغير حقيقة أن بعض العلامات التجارية، في مجال التسويق، تستخدم المصطلحات بشكل شبه متبادل أو تشير إلى "LiDAR" بينما ما تستخدمه في الواقع هو شكل متطور من تقنية قياس زمن الرحلة (ToF). المهم هو فهم ذلك. في الهواتف المحمولة، يكون الإعداد المعتاد عبارة عن مستشعر ToF صغير الحجم مزود بباعثات LED أو ليزر متواضعة.مصممة للمهام قصيرة المدى مثل التصوير الفوتوغرافي، والواقع المعزز القريب، والقياسات الحيوية.
استخدامات تقنية قياس زمن الرحلة (ToF) في كاميرات الهواتف المحمولة
وبعيدًا عن النظرية، فإن الأمر المثير للاهتمام هو ما الذي يُضيفه مستشعر ToF إلى الاستخدام الواقعي للهواتف الذكية؟يتم تجميع تطبيقاتها في أربع مجموعات رئيسية: التصوير الفوتوغرافي والفيديو والأمن/القياسات الحيوية والتحكم بالإيماءات والواقع المعزز، على الرغم من أنها تصلح أيضًا للقياسات والمسح ثلاثي الأبعاد.
وضع البورتريه وتأثيرات التمويه
ربما يكون التحسن الأكثر وضوحًا للمستخدم العادي هو في مجال التصوير الفوتوغرافي. وخاصة في وضع البورتريه الشهير وفي أي مشهد نريد فيه فصل الموضوع بوضوح عن الخلفية لتطبيق تأثير البوكيه، فإن خريطة العمق ثلاثية الأبعاد التي تم إنشاؤها بواسطة مستشعر ToF تحدث فرقًا كبيرًا.
بفضل مستشعر ToF، الهاتف المحمول يعرف بدقة تامة أي أجزاء الصورة أقرب وأيها أبعدتتيح هذه المعرفة تحديدًا أفضل للشخص أو الشيء الرئيسي، وتجنب الأخطاء الشائعة عند قص الشعر أو النظارات أو الأصابع أو غيرها من التفاصيل الدقيقة. ويمكن تطبيق تمويه الخلفية تدريجيًا وبشكل متناسق مع المسافة، مما يخلق تأثيرًا أكثر طبيعية.
على الهواتف المحمولة مثل هاتف هواوي P30 برو، أو هاتف هونر فيو 20، أو بعض هواتف سامسونج جالاكسيلقد روّجت الشركة المصنّعة علنًا لدور كاميرا ToF في تحسين وضع البورتريه، ودعمها للمستشعرات الرئيسية عالية الدقة والعدسات واسعة الزاوية. والنتيجة هي صور ذات مظهر "احترافي" أكثر بكثير، مناسبة لوسائل التواصل الاجتماعي والصور الشخصية.
ولا تقتصر الفائدة على الأشخاص فقط: كما أنه مناسب للحيوانات الأليفة والأشياء والطعام وأي موقف يُرغب فيه بخلفية ضبابية خفيفة.توفر تقنية قياس زمن الرحلة (ToF) للكاميرا معلومات العمق التي تحتاجها خوارزميات البرامج لتحديد ما يجب التركيز عليه، وما يجب عدم التركيز عليه، وبأي شدة.
التركيز والتتبع في الفيديو
إذا انتقلنا إلى الفيديو، يصبح قياس زمن الرحلة (ToF) حليفًا للتركيز المستمر: تتيح خريطة العمق في الوقت الفعلي تتبعًا دقيقًا لجسم متحرك.حتى لو دخل وخرج من الإطار أو تحرك بالقرب من الهاتف المحمول وابتعد عنه بسرعة جيدة.
تواجه العديد من الهواتف الذكية التي تعتمد فقط على التركيز التلقائي لاكتشاف التباين أو اكتشاف الطور صعوبة في المشاهد المعقدة أو ذات الإضاءة المنخفضة. أما مع مستشعر ToF الداعم، يعرف المعالج في كل لحظة أي جسم هو على أي مسافة ويمكنك ضبط العدسة دون الكثير من التردد، مما يقلل من "اهتزازات" التركيز المعتادة التي تفسد اللقطة.
ويحظى هذا الأمر بتقدير خاص في فيديو حركي، أطفال، حيوانات أليفة، أو أحداث تتضمن الكثير من الحركةحيث يُعدّ الحفاظ على وضوح الهدف وفصله جيدًا عن الخلفية أمرًا أساسيًا. توفر تقنية قياس زمن الرحلة (ToF) طبقة إضافية من المعلومات التي يمكن لخوارزميات التركيز استخدامها لتحديد أولويات الأهداف وتوقع تغيرات المشهد.
في بعض الحالات، يتم أيضًا دمج المعلومات المتعمقة مع الكشف عن الوجه أو الجسم باستخدام الذكاء الاصطناعيوبهذه الطريقة، لا يعرف النظام مكان الشيء فحسب، بل يعرف أيضًا ماهيته، مما يساعد في تحديد ما يجب أن يبقى في دائرة التركيز وما يمكن تركه خارج دائرة التركيز.
التعرف على الوجوه ثلاثي الأبعاد والأمن
ومن الاستخدامات الرئيسية الأخرى لتقنية ToF في واجهة الهاتف الأمامية ما يلي: التحقق البيومتري المتقدم باستخدام تقنية التعرف على الوجه ثلاثية الأبعادبدلاً من الاعتماد فقط على صورة مسطحة للوجه، يستطيع الهاتف المحمول إعادة بناء حجمه من خلال تحليل عمق النقاط المختلفة على الوجه.
يمكن لجهاز استشعار من هذا النوع أن يصل إلى قراءة مئات الآلاف من النقاط على سطح الوجه في لقطة واحدةكما أشارت بعض العلامات التجارية، فإن هذا يسمح بإنشاء نمط مفصل للغاية لهندسة الوجه، يصعب خداعه بالصور أو مقاطع الفيديو أو الأقنعة الأساسية، والذي يمكن مقارنته بالنموذج المسجل على الجهاز.
وتتمثل الميزة الإضافية في أنه باستخدام الأشعة تحت الحمراء، يعمل هذا التعرف بشكل جيد في الظلام أو في الإضاءة الخافتةلا حاجة لإبهار المستخدم بالشاشة أو الاعتماد على الإضاءة المحيطة. يستشعر مستشعر ToF الأشعة تحت الحمراء، وبشرط عدم وجود تداخل كبير، يمكنه تحديد هوية المالك في أجزاء من الثانية.
وقد ذهب بعض المصنّعين إلى أبعد من ذلك في مجال القياسات الحيوية: على سبيل المثال، يستخدم هاتف LG G8 ThinQ مستشعر ToF الأمامي لتحليل نمط الأوردة في اليد.يُظهر المستخدم راحة يده على بعد بضعة سنتيمترات من المستشعر، ويتعرف النظام على شكل اليد وتوزيع الأوعية الدموية، مما يوفر طريقة فتح بديلة غريبة نوعًا ما.
التحكم بالإيماءات دون لمس الهاتف
امكانية تحكم في الهاتف الذكي عن طريق تحريك يدك في الهواء أصبح هذا الأمر واقعاً بفضل مستشعرات ToF. فمن خلال توفير قراءة دقيقة للعمق في المنطقة القريبة من الشاشة، يستطيع الهاتف اكتشاف موضع اليد، ومسافتها، وبعض الحركات الأساسية.
في هاتف LG G8 ThinQ المذكور سابقًا، على سبيل المثال، يسمح نظام Air Motion الرد على المكالمات، تشغيل الموسيقى أو إيقافها مؤقتًا، تغيير الأغاني، أو رفع وخفض مستوى الصوت ببساطة عن طريق القيام بإيماءات فوق الهاتف. يقوم مستشعر ToF الأمامي بتفسير هذه التغييرات في وضع اليد وعمقها.
لكي يعمل، يتعين على المستخدم عادةً ضع يدك المفتوحة على بعد بضعة سنتيمترات من أجهزة الاستشعار، ثم حركها قليلاً بعيداً، ثم حركها مرة أخرى. في اتجاه أو آخر. لا تزال الإيماءات المتاحة قليلة نسبياً و"متخصصة" إلى حد ما، لكنها تعطي مؤشراً واضحاً جداً على إمكانات هذه التقنية.
يصبح هذا النوع من التفاعل مفيدًا بشكل خاص في المواقف التي لا نرغب فيها أو لا نستطيع فيها لمس الشاشة: الأيدي المبللة، الأيدي المتسخة، القفازات، المطبخ، ورشة العمل... أو ببساطة عندما يكون الهاتف المحمول موضوعًا على الطاولة ونفضل التعامل معه من مسافة بعيدة دون الحاجة إلى التقاطه كل ثانيتين.
الواقع المعزز والقياسات والمسح ثلاثي الأبعاد
الواقع المعزز (AR) هو مجال آخر تبرز فيه تقنية زمن الرحلة (ToF) بشكل واضح. بفضل خريطة العمق الموثوقة للبيئة، "يفهم" الهاتف المحمول هندسة الغرفة بشكل أفضل ويعرف أماكن الأرضيات والجدران والأثاث والأشياء.
وبفضل ذلك، يمكن لتطبيقات الواقع المعزز وضع الكائنات الافتراضية بثبات أكبر بكثيريمنع ذلك ظهورها وكأنها تطفو بلا هدف أو تمر عبر الأسطح الصلبة. وقد عرضت هواتف مثل Oppo RX17 Pro وHONOR View 20 ألعابًا وتجارب يتفاعل فيها المستخدم مع عناصر ثلاثية الأبعاد تعكس بدقة العمق الحقيقي للمشهد.
كما يتيح جهاز قياس زمن الرحلة (ToF) وظائف من قياس المسافات والأسطح والأحجام مباشرة باستخدام الكاميراما عليك سوى توجيه التطبيق نحو الجسم أو قطعة الأثاث أو الشخص، وسيقوم التطبيق بحساب حجمه بناءً على بيانات العمق التي يوفرها المستشعر. مثالي لأخذ قياسات سريعة دون الحاجة إلى شريط قياس.
فيما يتعلق بالمسح ثلاثي الأبعاد، يمكن للهاتف المحمول قم بمسح الجسم بصريًا من زوايا مختلفة واجمع خرائط العمق. لإعادة بناء نموذج ثلاثي الأبعاد دقيق إلى حد كبير. ويمكن استخدام هذا النموذج بعد ذلك في الطباعة ثلاثية الأبعاد، والتصميم، والهندسة المعمارية، وألعاب الفيديو، أو الواقع الافتراضي.
مجالات استخدام أخرى لكاميرات ToF
على الرغم من أن معظم ما نسمع عنه هذه الأيام يتم عبر الهواتف المحمولة، تُستخدم كاميرات قياس زمن الرحلة (ToF) في العديد من المجالات الأخرى منذ فترة.إن الانتقال إلى الهواتف الذكية هو ببساطة تطور طبيعي لشيء تم اختباره بنجاح في الصناعة والبحث.
في مجال الروبوتات الصناعية، على سبيل المثال، تساعد خرائط العمق ثلاثية الأبعاد في الوقت الفعلي الروبوتات على رؤية بيئتها وفهمهاتتيح لك هذه الأدوات تحديد مواقع الأجزاء، وحساب نطاقات الحركة الآمنة، وتجنب الاصطدامات مع الأشخاص أو الآلات الأخرى، والإمساك بالأشياء بدقة كبيرة في ثلاثة أبعاد.
في عالم النمذجة ثلاثية الأبعاد والواقع الافتراضي، تُستخدم كاميرات ToF لمسح المساحات والغرف والأشياء وتحويلها إلى بيئات رقمية تفاعلية. يستطيع المهندسون المعماريون أو المصنّعون أو المصممون التقاط صورة سريعة للمساحة والعمل على نسخة افتراضية منها باستخدام قياسات موثوقة.
توجد أيضًا تطبيقات في الأجهزة الاستهلاكية غير المحمولةمثل كاميرات المنزل الذكية، والمكانس الكهربائية الروبوتية التي ترسم خريطة للمنزل، وحلول أتمتة المنزل التي تكتشف الوجود والحركة مع العمق، أو أنظمة المصادقة المتقدمة في أجهزة الكمبيوتر المحمولة والأبواب الذكية.
هذا النظام البيئي بأكمله يعني أنه على الرغم من أننا لا نرى سوى جانب واحد من العملة على الهاتف الذكي، لا تزال تقنية قياس زمن الرحلة (ToF) بحاجة إلى قطع شوط طويل. ومن المحتمل أن يستمر في فقدان الوزن المادي، واكتساب الدقة، والاندماج مع تقنيات أخرى مثل LiDAR أو رؤية الكمبيوتر لتحقيق فهم متزايد الثراء للبيئة.
بالنظر إلى كل ذلك معاً، فإن إدخال مستشعرات ToF في الهواتف المحمولة يمثل قفزة مثيرة للاهتمام إلى الأمام: صور بتأثير ضبابي طبيعي أكثر، وفيديوهات بتركيز أفضل، وميزة فتح القفل ثلاثي الأبعاد للوجه أكثر أمانًا، وإيماءات هوائية، وتجارب واقع معزز أكثر إقناعًا.يعتمد هذا كله على قياس دقيق للوقت الذي يستغرقه الضوء للوصول إلى المستشعر والعودة منه. ورغم محدودية دقة هذه التقنية، ومشاكلها مع الإضاءة المحيطة الساطعة، والمساحة التي تشغلها داخل الهاتف، تشير كل الدلائل إلى أن وجودها في الهواتف المحمولة سيستمر في النمو والتطور خلال السنوات القادمة.