Что такое tof камера в смартфоне
Что такое ToF-камера в смартфоне
Между производителями смартфонов идет постоянное соперничество. Чтобы как-то выделиться среди конкурентов и переманить покупателей на свою сторону, компании наделяют мобильники все новыми и новыми фишками. Кто-то развивается в плане дизайна, предлагая то вырезы, то изогнутые дисплеи, а кто-то разрабатывает новые форм-факторы вроде слайдеров, выдвижных элементов и гибких дисплеев.
Один из распространенных рецептов по созданию уникального и интересного смартфона касается камеры. Поле для экспериментов в этой области широкое: в современных мобильниках используются несколько объективов. Производителю остается только выбрать, какую комбинацию установить.
Последним нововведением в мобильных камерах стал датчик ToF, или времяпролетная камера. Давайте разберемся, что это и какую пользу от нее может получить простой обыватель.
Что такое ToF-камера
Времяпролетная камера, как подсказывает ее название, измеряет время, затраченное на движение импульса света от датчика до объекта съемки и обратно. Полученные данные используются камерой для построения карты глубины, то есть объемной картинки.
Этот метод построения изображения существует давно. У него есть свои особенности, которые до недавних пор не позволяли использовать его в коммерческих целях в таких малогабаритных устройствах, как смартфон. Свет перемещается с невероятной скоростью – 299 792 458 метров в секунду, поэтому ToF-камера должна обладать технологией, способной улавливать мельчайшую разницу в показателях времени, и иметь компактный размер, чтобы уместиться в корпусе смартфона.
ToF-камера состоит из 4 основных компонентов:
Сенсор и линза – обязательные компоненты любой камеры. У времяпролетного датчика есть еще излучатель и процессор. Первый испускает поток света, второй отвечает за измерение времени. На работу ToF-камеры уходят доли секунды.
Как работает ToF-камера
Луч света, испускаемый датчиком, возвращается быстро, если объект съемки находится близко к объективу. Чем дальше расположен объект или его часть, тем больше времени уйдет на то, чтобы луч достиг его, отразился и вернулся. Показатель расстояния измеряется для каждого пикселя. Это дает подробное представление о том, как выглядит объект, какие особенности формы имеет и как далеко находится. В качестве импульса используется инфракрасный свет, невидимый для человеческого глаза.
Аналогичный подход использует Apple в камере TrueDepth для разблокировки по лицу: там тоже создается трехмерное изображение лица пользователя по точкам, только за основу взята лазерная технология LIDAR.
У мобильной ToF-камеры есть свои недостатки. Первый связан с тем, что яркое освещение может мешать работе датчика: отраженные лучи теряются в окружающем пространстве, а камере не хватает чувствительности, чтобы распознать их и не перепутать с посторонними бликами. Второй недостаток – относительно низкое разрешение по сравнению с основными камерами.
Для чего нужна ToF-камера в смартфоне
В смартфонах времяпролетные камеры используются для сбора информации о глубине кадра, которая в свою очередь нужна для построения трехмерных изображений, отделения фона от объекта съемки в портретном режиме и распознавания жестов.
До недавнего времени смартфоны могли создавать 3D-изображения с помощью программных алгоритмов или специально выделенной камеры, исполняющей роль датчика глубины (стереовидение). ToF-камера – это новая ступень в развитии мобильной фотографии, так как она способна работать в темноте, обладает более высокой точностью и сниженным энергопотреблением.
В каких смартфонах есть ToF-камера
Времпролетная камера – инновационный элемент в мобильной индустрии. Пока она доступна лишь во флагманском сегменте, но в будущем наверняка станет встречаться и в аппаратах среднеценового класса. Пока что обладателями ToF-датчика являются:
По слухам, времяпролетная камера будет включена в фотомодуль iPhone 2019.
ToF-камера — что это такое?
В связи со стагнацией продаж смартфонов на рынке производители начали привлекать к себе клиентов с помощью таких нововведений, как несколько датчиков задней камеры, камеры, встроенные в экран и выдвижные камеры.
Термин «ToF-камера» попал в заголовки новостей еще в 2019 году. Но что она собой представляет? Я сейчас все детально вам объясню.
Что такое ToF-камера?
ToF-камера – это датчик, который измеряет глубину изображения. Чтобы получить информацию о глубине, он использует инфракрасный свет (лазер, невидимый для человеческого глаза). Датчик излучает световой сигнал, который попадает на объект и возвращается обратно. Затем датчик измеряет время, которое прошло с момента излучения сигнала до момента его возвращения, и таким образом получает информацию о глубине. Такой подход дает огромное преимущество перед другими технологиями, так как позволяет точно измерять расстояния с помощью одного лазерного импульса.
По сравнению с другими доступными технологиями «сканирования диапазона 3D-глубины» (теми же сканерами или камерами с источником структурированных световых лучей), технология ToF считается относительно дешевой. Излучаемый световой сигнал может достигать скорости до 160 кадров в секунду, что означает, что такие камеры отлично подходят для работы в режиме реального времени (эффект боке или фона в видео на ходу). Еще одно преимущество – такие камеры потребляют мало энергии.
Примечание: ToF – это один из многих методов, который подпадает под категорию диапазонного отображения. Иногда ToF-камеры еще называют дальномером или 3D-датчиком.
Для чего нужна ToF-камера?
Датчик ToF-камеры можно использовать для измерения расстояния, а также для сканирования объектов, навигации в помещении, обхода препятствий, распознавания жестов и отслеживания объектов. Данные, полученные с помощью этого датчика, могут также помочь с 3D-визуализацией и улучшением опыта при использовании дополненной реальности (AR). В телефонах ToF-камеры могут быть использованы для 3D-съемки, AR и, в частности, для съемки в портретном режиме.
Теоретически, ToF-камеры позволяют лучше размывать фон в портретном режиме. Я говорю «теоретически», потому что этот процесс все еще требует и программной составляющей. Да и от производителя зависит то, как будут использоваться данные, собранные с ToF-камеры.
ToF-камеры также могут помочь в условиях низкой освещенности – поскольку датчик использует инфракрасный свет для определения «расстояния до объекта», он может помочь смартфонам сфокусироваться даже в темноте.
ToF-камеры – это какое-то нововведение?
Технология ToF не очень нова – на протяжении последнего десятилетия с ней уже успели поэкспериментировать различные компании. Microsoft, например, использовала ToF-камеры в своих устройствах Kinect второго поколения. Лидары, которые часто используются в автомобилях с автопилотом, также обычно оснащены ToF-датчиками. Их приняли на вооружение даже компании, выпускающие беспилотники – так, дрон Chouette в видео выше использует камеру TeraRanger ToF для наблюдения за виноградниками.
Поэтому, хоть технология ToF и не была изобретена вчера, она все еще считается передовой, и, благодаря своей эффективности и доступности, она быстро набирает популярность.
Одним из первых смартфонов, использующих эту технологию, был Huawei Honor View 20, который вышел в конце 2018 года. После него появилось много других флагманских смартфонов с ToF-датчиками.
Смартфоны с ToF-камерой?
Представляю вам список смартфонов с установленной ToF камерой. Не буду вдаваться в их характеристики, можете посмотреть их сами по ссылкам на Яндекс Маркет.
Huawei P30 Pro
Четверная камера этого смартфона разработана в сотрудничестве с Leica. Здесь не только реализован первый на рынке 5-кратный оптический зум – смартфон также может похвастаться стандартной и широкоугольной оптикой наряду с ToF-датчиком. Это самая «продвинутая» установка камеры, которую я видел на сегодняшний день.
Samsung Galaxy Note 10+
Сверх популярный Galaxy Note также был выпущен и в 6,8-дюймовой версии. Как вы уже поняли, но это также единственная модель в линейке, которая имеет ToF-камеру.
Oppo RX17 Pro
Oppo RX17 Pro оснащен 25-мегапиксельной селфи-камерой с диафрагмой f/2.0, в то время как основная камера состоит из трех датчик, один из которых – ToF.
Honor View 20
В смартфоне Honor со встроенной в экран селфи-камерой также установлена двойная основная камера. Она состоит из 48-мегапиксельного основного датчика и 3D-датчика ToF. Смартфон также может похвастаться светодиодной вспышкой.
LG G8S ThinQ
Основная камера LG G8S ThinQ, анонсированного на Mobile World Congress 2019, также использует технологию ToF.
Кто занимается производством ToF-камер?
Производством ToF-камер занимается Sony, и, очевидно, сейчас эта технология японской компании начинает пользоваться большим спросом.
Кроме Sony производством ToF-камер также занимаются AMS/Heptagon, ASC TigerCub, TeraRanger One, Riegl, Lucid/Helios, и AdaFruit.
Что делают 3D-сенсоры в смартфонах? РАЗБОР
Все чаще мы видим в смартфонах так называемые 3D-сенсоры, или сенсоры глубины. Большинство из них также называют ToF-сенсорами аналогично одноименной технологии. По слухам, такой сенсор будет установлен и в новом iPhone (там он называется LiDAR, подробнее мы об этом рассказывали в другом материале). Эти сенсоры довольно дорого стоят, но зачем они нужны понятно не всем. Производители уверяют, что сенсоры позволяют делать лучше фото и портреты или добавляют фишки в дополненную реальность. Но так ли это на самом деле?
Сегодня обсудим, зачем нужны 3D-сенсоры в смартфонах, как это работает, ну и конечно, проведем несколько тестов и проверим заявления производителей.
Что такое 3D сенсор (сенсор глубины)
Для начала, давайте разберемся, а что такое 3D-сенсор? Фотокамеры захватывают проекцию окружающего мира на плоскость. По одной лишь фотографии не понять реальный размер объекта — размером ли он с бутылку или с Пизанскую башню. И расстояние до него тоже не понять.
Для того, чтобы понимать реальные размеры объектов на фото, масштабы съемки, отличать, что ближе к камере, а что дальше, и нужны 3D-сенсоры. Они уже давно и активно применяются в робототехнике, автономном транспорте, играх, медицине и много где еще. Более того, наши глаза — это тоже 3D сенсор. При этом, в отличие от LiDAR’а и ToF-сенсоров в смартфонах, глаза — пассивный 3D-сенсор. То есть не излучающий никакого света, а работающий только на основе поступающего света. Только благодаря этому мы можем хоть как-то перемещаться в пространстве и взаимодействовать с окружающими объектами. Теперь 3D-сенсоры появились и в смартфонах.
Как работает ToF?
LiDAR в iPad’е, а также все 3D-сенсоры в Android-смартфонах — это time-of-flight или сокращенно ToF-сенсоры. Они определяют расстояния до объектов вокруг, напрямую измеряя сколько времени понадобится свету, чтобы долететь от камеры до объекта и вернуться обратно. Это очень похоже на эхо в пещере, оно тоже после отражения от стенок возвращается к нам с запаздыванием. Чтобы пролететь 1 метр свету нужно 3 наносекунды, для 1 см — 30 пикосекунд. Вроде бы все понятно. Но есть проблема.
Это очень маленькие промежутки времени. Как камера может такое замерить? Не будет же она делать миллиард кадров в секунду, а потом их сравнивать? Есть 2 основных подхода для решения этой проблемы: dToF (direct ToF) и iToF (indirect ToF). И чтобы вас заинтриговать еще сильнее: абсолютное большинство Android-смартфонов используют как раз iToF сенсоры, тогда как LiDAR в Apple iPad и скорее всего в грядущих iPhone — это редкий представитель семейства dToF сенсоров. Так чем же они отличаются?
iToF — indirect ToF
Начнем с iToF. В таких сенсорах излучатель отправляет высокочастотный модулированный свет, то есть этот свет постоянно включается и выключается с частотой десятки миллионов раз в секунду. За счет того, что свету нужно время для полета до объекта и обратно, фаза, то есть вот это состояние где-то между включенностью и выключенностью, света, вернувшегося в камеру, немного отличается от фазы света в момент отправки. На сенсоре исходный и отраженный обратно от объекта сигналы накладываются друг на друга, и за счет этого определяется сдвиг фаз, который и позволяет понять расстояние до каждой точки объекта.
dToF — direct ToF
dToF работает немного иначе. В таких сенсорах напрямую измеряется разница во времени между отправкой света и детектированием его отражения на сенсоре. Для этого используются так называемые SPAD: single photon avalanche diodes. Они могут детектировать крайне маленькие импульсы света, фактически даже ловить единичные фотоны. Такие SPAD расположены в каждом пикселе сенсора. А в качестве излучателя в таких сенсорах используются как правило так называемые VCSEL — Vertical Cavity, Surface Emitting Laser. Это лазерный излучатель, подобный тем, что используются в лазерных мышках и много где еще. dToF сенсор в LiDAR разработан совместно с Sony и является первым массовым коммерческим dToF сенсором.
Можно лишь гадать, почему в iPad используется dToF сенсор, но давайте отметим преимущества такого сенсора. Во-первых, в отличие от iToF сенсора излучатель испускает не сплошную стену света, а лишь светит в отдельных направлениях, что позволяет экономить батарейку. Во-вторых, dToF сенсор меньше подвержен ошибкам в измерении глубины из-за так называемой multipath interference. Это типичная проблема iToF сенсоров. Она возникает из-за переотражения света между объектами перед попаданием обратно в сенсор и искажает измерения сенсора.
Как это работает, разобрались, давайте теперь посмотрим, а зачем вообще 3D-сенсоры используются в смартфонах.
Зачем это нужно в смартфонах
1. Безопасность
Первым массовым внедрением 3D-сенсоров в смартфонах мы обязаны Apple и технологии Face ID. Распознавание лиц при использовании трёхмерных данных намного точнее и надежнее классического распознавания лиц по фото. Для Face ID Apple использует технологию структурированной подсветки, на ней мы остановимся подробнее как-нибудь в следующий раз.
Большинство производителей заявляют, что именно более качественный и точный режим дополненной реальности является главной задачей 3D-сенсоров. Более того, это также поддерживается непосредственно компанией Google. Буквально недавно они представили грядущее обновление своей библиотеки дополненной реальности ARCore, позволяющее более реалистично размещать виртуальные объекты в реальности и взаимодействовать с реальными объектами.
Для этой же задачи Apple встроили LiDAR в iPad Pro. Такое можно делать и без 3D-сенсора, но с ним все работает точнее и надежнее, плюс задача становится вычислительно сильно проще и разгружает процессор. 3D-сенсор выводит AR на другой уровень.
3. Улучшение фотографий
Ряд производителей, например, Samsung и HUAWEI заявляют, что 3D-сенсор используется в первую очередь для более качественного размытия фона и более точного автофокуса при съемке видео. Другими словами, он позволяет увеличить качество обычных фото и видео.
4. Прочее
Доступ к данным сенсоров у некоторых смартфонов открыт, поэтому появляется все больше приложений, предлагающих новые применения. Так, например, с помощью внешних приложений 3D-сенсор можно использовать для измерения объектов, трехмерного сканирования и motion tracking’а. Есть даже приложение, позволяющее сделать из своего смартфона прибор ночного видения.
Тесты
С тем как это работает в теории разобрались, давайте теперь посмотрим, как это работает на практике, и есть ли какой-то толк от этих дорогущих 3D-сенсоров в флагманах. Для тестов мы взяли Redmi Note 9S, у него есть ToF-сенсор и мы сделали несколько снимков в портретном режиме, но во втором случае просто закрыли 3D-камеру пальцем. И вот что получилось.
Всё просто — размытие действительно больше и лучше, если ToF работает.
И для частоты эксперимента мы взяли Samsung Galaxy S20 Ultra, который также получил ToF-камеру.
И найдите хотя бы одно отличие?
Что получается? Дело в том, что в зависимости от производителя ToF-камера используется по-разному и в разной степени.
Можно сказать, что часть производителей смартфонов располагает ToF-датчики в своих смартфонов не для маркетинга, чтобы добавить ещё одну камеру, а скорее на всякий случай. А дальше уже алгоритмы решают — использовать эту камеру или нет?
При этом на сегодняшний момент необходимости в LiDAR или ToF-камерах прямо нет. Так что это видимо чуть больше маркетинг.
Что такое ToF-сенсор и почему в Samsung Galaxy S21 его не будет из-за Apple
Когда-то было счастьем иметь камеру в телефоне. Только одну с одним простеньким сенсором. Иногда буквально для того, чтобы она просто была, а не для того, чтобы делала крутые фотографии. Тогда их еще называли мутировавшим потомком смайлика. Потом постепенно начали появляться вспышки, вторые сенсоры, третьи сенсоры, четвертые сенсоры, отдельные фронталки и так далее. Одним из трендов последнего времени является использование в смартфоне ToF-сенсора. Многие рады, что он у них есть, хотя реально не понимают, для чего он нужен и как он вообще работает. Интересно, что даже производители не особо торопятся объяснить это пользователям, используя принцип «есть и уже хорошо», значит продать можно.
Samsung может многое, но не все.
Что такое ToF-камера
ToF-камера или ToF-сенсор, как ее еще называют — это сокращение. Полная версия названия звучит, как Time-of-flight. Это камера, которая позволяет оценивать дистанцию до объекта и вместо пикселей выдает оценку расстояния от объектива до объекта съемки.
Определение расстояния производится за счет измерения времени движения импульса света до объекта и обратно. Так камера понимает, на каком расстоянии находится та или иная часть сцены и может в зависимости от этого менять настройки.
Samsung будет обновлять по три года даже бюджетные смартфоны на Android
Если не вдаваться в подробности технологий, то принцип работы подобной камеры выглядит именно так. Ей не надо получать детальное изображение — она нужна для получения данных объема, а за картинку отвечают уже другие сенсоры. Наверное, одним из первых случаев применения ToF в смартфонах был датчик FaceID в iPhone X.
Какое отношение Apple имеет к Samsung Galaxy S21
Казалось бы, какое отношения Apple может иметь к смартфону Samsung, который еще не вышел и который еще не факт даже, что получит такое название, но связь есть. Она может быть и косвенная, но определенное влияние на Samsung Apple все же оказывает. В данном случае в отношении сенсоров.
Какие смартфоны будут лучше и дешевле Samsung Galaxy Note 20К
Смартфоны Samsung Galaxy Note 20 и Note 20 Ultra в это году уже были анонсированы без датчиков ToF. Учитывая это, есть вероятность, что что-то подобное может произойти и с новыми смартфонами линейки Samsung Galaxy S, которые представят в следующем году. Некоторые аналитики говорят, что Samsung якобы считает, что для этой технологии недостаточно вариантов использования. Именно это по их мнению станет причиной для отказа от использования такого сенсора.
Когда сенсор глубины может сканировать лицо, это полезно для безопасности.
В качестве основной причины аналитики сходятся во мнении, что ей стала Apple. Технология, которую применяет Samsung, не так хороша, как используемая купертиновцами. Все из-за того, что Samsung использует так называемую косвенную технологию, а Apple — прямую.
Сенсоры, которые используются Apple, разрабатывает и производит Sony. Логично спросить, почему Samsung не хочет купить у Sony эти датчики и пользоваться ими в своих устройствах. На деле не все так просто. Apple имеет эксклюзивное соглашения с Sony. То есть имеет на них полные права и может запретить японцам продавать их ”на сторону”. Не стоит думать, что Sony находится в каком-то рабском положении. Наоборот, компания получает за это очень хорошие деньги и отлично себя чувствует. Ей явно лучше, чем Samsung, которой приходится искать другие решения.
По некоторой информации Samsung все же прорабатывает вариант использования ToF-камер в новых моделях своих смартфонов. Говорят даже, что для этого в ее подразделении System LSI кипит работа по разработке нового сенсора ToF. На каком этапе находятся разработки, естественно, не уточняется, но улучшение собственных наработок компании возможно.
Каким будет Samsung Galaxy S21
Как и положено, новый смартфон серии Samsung Galaxy S выйдет в феврале или марте следующего года. Конечно, отклонения возможны, но это стандартный цикл обновления модели, которого компания придерживается уже много лет.
Подобное определение расстояния очень полезно, но только тогда, когда оно правильно работает.
В чем точно не стоит сомневаться, так это в том, что новинка получит процессор Snapdragon 875. Какая маркировка будет на его аналоге под брендом Exynos, пока остается неизвестным.
Чтобы не пропускать новые смартфоны от топовых брендов, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram.
На какой версии Android будет работать смартфон, пока тоже не понятно, но он наверняка получит оболочку Samsung One UI. А еще все смартфоны Samsung Galaxy S21 получат защиту от воды и пыли по самому высокому стандарту. Также не стоит сомневаться в тонких рамках передней панели.
В этом году продажи Samsung идут не совсем так, как планировалось, поэтому компания должна найти золотую середину в серии Galaxy S21, чтобы превзойти продажи Galaxy S20. До запуска серии Galaxy S21 еще далеко, так что посмотрим, что будет дальше. А заодно узнаем, как она будет называться. Не хотелось бы, чтобы теперь компания начинала отсчитывать модели десятками, как Huawei. Куда интересней смотрится вариант с годом производства. В этом году S20 и Note 20, в следующем — S21 и Note 21, потом — S22 и Note 22 и так далее.
Новости, статьи и анонсы публикаций
Свободное общение и обсуждение материалов
Маркетинг правит миром: с этим не поспоришь. Чем больше рекламы в какой-либо сфере, тем популярнее товары и лучше продажи. Есть действительно крутые вещи, без которых уже сложно представить повседневную жизнь. Многие до сих пор скептически относятся к фитнес-браслетам и умным часам, но они уже доказали свою эффективность, практичность и неприхотливость. Сейчас Интернет-магазины изобилуют различными гаджетами, которые, вроде как, способны вам помочь следить за своей фигурой и самочувствием. Не торопитесь тратить деньги! Собрали самые спорные устройства, перед покупкой которых лучше семь раз отмерить.
Музыка очень сильно влияет на наше настроение. В течение последнего месяца я проводил интересный эксперимент: избегал всеми способами тех музыкальных жанров, которые мне не нравятся, портят настроение и приводят в уныние. Результаты меня впечатлили. Скажу, что удавалось с трудом: потребовалось основательно подойти к решению этой проблемы. Готов поделиться с вами рецептом хорошего настроения и небольшой инструкцией, как это сделать.