¿Qué es una cámara TOF y cómo funciona? Aplicaciones en el sector industrial.
¿Qué es una cámara TOF y cómo funciona?
Las cámaras TOF o cámaras Time Of Flight o “tiempo de vuelo” son cámaras 3D que como su nombre indica calculan el tiempo que tarda la luz en llegar al objeto y volver al sensor de la cámara.
Pero en realidad, esto no es exactamente así, las cámaras TOF no calculan el tiempo que tarda la luz, sino que miden el desface de onda entre la luz que emiten y la luz que reciben.
Imagen 1: Principio de medidas TOF. Medida de desfase. Imagen extraída de https://ebuah.uah.es/dspace/bitstream/handle/10017/21313/TFM-Rufo-Merino-2013.pdf?sequence=5&isAllowed=y
Como podemos ver en la imagen superior, la luz que emite está modulada y según la formula descrita se puede calcular el desfase de onda y con ello podemos conocer la distancia al objeto.
La tecnología que utilizan las cámaras TOF tiene una serie de ventajas y desventajas respecto a las cámaras 3D de proyección de patrones o de triangulación laser.
¿Cuál es la principal ventaja de las cámaras TOF?
La principal ventaja de una cámara TOF respecto de las cámaras 3D de proyección de patrones o de triangulación láser es su velocidad. Actualmente encontramos cámaras TOF que permiten obtener imágenes 3D a 100 imágenes por segundo.
¿En qué industria se utilizan las cámaras TOF?
Debido a esta característica, la velocidad, las cámaras TOF son muy utilizadas en el sector de la automoción. La principal aplicación para las cámaras TOF es el asistente de conducción de los automóviles, la utilización de esta tecnología permite tomar decisiones en milisegundos.
¿Principal inconveniente de las cámaras TOF?
Entre los principales inconvenientes de las cámaras TOF se encuentra su precisión.
La precisión de una cámara TOF ronda desde los pocos milímetros hasta casi el centímetro. En la siguiente tabla podemos ver ejemplos de precisión de la cámara HELIOS 2+ de Lucid VISION LABS.
Imagen 2: Tabla de datos de la cámara Helios2+, extraída de la página web Lucid VISION LABS (https://thinklucid.com/)
Aplicaciones en el sector industrial
Hasta hace unos años las cámaras TOF se utilizaban principalmente en temas de guiado de vehículos como ya hemos comentado anteriormente y también han sido bastante utilizadas en los últimos años en el sector del entretenimiento.
El caso más conocido es el proyecto Natal de Microsoft. Microsoft implementó hace unos años en la consola Xbox 360 una interfaz de usuario sin mando basado en los movimientos del cuerpo. Esto dio lugar al conocido sistema Kinect que permitía implementar una cámara RGB más una cámara TOF para poder jugar usándose a uno mismo como mando del juego.
En la siguiente ilustración se muestra un mapa de profundidad de ejemplo (izquierda) y la imagen IR limpia (derecha) de una cámara Azure Kinect.
Imagen 3: Imagen de cámara Azure Kinect extraída de: https://learn.microsoft.com/es-es/azure/kinect-dk/depth-camera
Microsoft se interesó por esta tecnología a principio de los 2000 y la presentó exitosamente en el sector del entretenimiento en 2009. El gran impacto que tuvo hizo pensar que esta tecnología evolucionaria de forma muy rápida, pero por el contrario se centro tanto en el sector del guiado de vehículos y en el gran consumo que su uso a nivel industrial quedó estancando, haciendo perder una década de desarrollo dentro del sector industrial a la tecnología de las cámaras TOF.
Afortunadamente en la actualidad están saliendo sistemas muy enfocados en las aplicaciones y necesidades del sector industrial que nos aportan cámaras TOF 3D de bajo coste y con muchas posibilidades.
Imagen 4: Modelos de cámaras TOF, imagen extraída de https://thinklucid.com/
A nivel de aplicaciones típicas del sector industrial, gracias a su bajo coste y al hecho de que permite trabajar en movimiento, las cámaras TOF están siendo utilizadas en aplicaciones de Bin Picking donde no se requiere de mucha precisión en la cogida.
Ejemplos de ello pueden ser la cogida de sacos o cajas donde las cámaras TOF son una opción muy competitiva.
Por otro lado, las cámaras TOF se pueden encontrar en aplicaciones de cálculo volumétrico tanto para objetos pequeños como para grandes superficies, ya que nos permite trabajar en campos de visión de más de 8 x 5 metros.
Imagen 5: Imagen 3D de pallet de cajas generada en el laboratorio de Bcnvision
Las últimas novedades en cámaras TOF trabajan con sistemas de iluminación IR en 940 nm que permiten excelentes resultados en condiciones de exterior.
Estos últimos avances abren todo un abanico de posibilidades para mejorar el guiado y picking en el exterior lo que puede resultar muy interesante en el sector de la agricultura, uno de los sectores que se más se automatizará en los próximos años.
Imagen 6: Imágenes de reconstrucción 3D entorno exterior. Imagen extraída de: https://thinklucid.com/product/helios2-ray-outd oor-tof-ip67-3d-camera/
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Artículo escrito por Oriol Verdú, Technical Office & Product Manager
