Qu’est-ce qu’un capteur de temps de vol et comment fonctionne-t-il ?

Au fur et à mesure que les smartphones se perfectionnent, ils intègrent de plus en plus de capteurs qui renvoient des données à l’appareil afin d’améliorer l’expérience de l’utilisateur.

Les smartphones modernes sont équipés de capteurs d’empreintes digitales intégrés, de LiDAR, de capteurs d’appareil photo plus grands et plus performants que jamais, et même, sur certains appareils, de capteurs de temps de vol (ToF). Mais parmi tous les différents capteurs que vous verrez sur votre téléphone, le capteur ToF se distingue, principalement parce qu’il affecte les choses que nous faisons sur nos smartphones d’une manière très particulière et inaperçue.

Qu’est-ce qu’un capteur de temps de vol (ToF) ?

Un capteur de temps de vol (ToF), également appelé caméra ToF, est un capteur spécialisé qui mesure la profondeur ou la distance d’un objet en émettant un faisceau de lumière infrarouge et en mesurant le temps de retour. D’où le nom de temps de vol.

Cela ressemble beaucoup aux caméras LiDAR que l’on trouve sur la gamme iPhone Pro et même sur certains systèmes de détection faciale de smartphones (y compris l’iPhone), où l’appareil crée une carte infrarouge du visage du propriétaire et l’utilise comme référence par rapport à la personne qu’il voit pour déterminer s’il faut déverrouiller l’appareil ou non. Cela dit, les capteurs ToF et LiDAR ont leurs différences.

Crédit d’image : Adafruit

L’utilisation de la lumière réfléchie (ou du son) pour mesurer la distance n’est pas une idée nouvelle non plus. Des dispositifs similaires tels que les capteurs ultrasoniques et infrarouges existent depuis bien plus longtemps, offrant essentiellement la même fonctionnalité, bien qu’avec beaucoup moins de détails. Les avantages d’un capteur ToF sont des mesures précises et rapides, une plus grande portée et la sécurité d’utilisation.

Comparés à d’autres technologies de mesure de la profondeur en 3D, les capteurs ToF sont relativement bon marché à produire et à utiliser. Ils ne nécessitent pas non plus beaucoup de puissance de traitement, ce qui les rend idéaux pour des cas d’utilisation tels que les smartphones, où la connaissance de la profondeur d’un objet particulier peut faciliter des fonctions telles que le mode portrait, et où la puissance de traitement est primordiale.

Les capteurs ToF sont fabriqués par différents fabricants, notamment Sony, qui fournit à Apple des capteurs 3D utilisant la technologie ToF. D’autres fabricants de capteurs ToF populaires incluent TeraRanger One, Lucid, Adafruit, et ASC TigerCub.

Comment fonctionne un capteur de temps de vol (ToF) ?

Comme indiqué précédemment, les capteurs ToF utilisent la lumière infrarouge pour mesurer la distance d’un objet par rapport au capteur. Un minuscule laser infrarouge émet de la lumière qui rebondit sur un objet et revient vers le capteur. Le capteur peut mesurer avec précision la distance d’un objet en mesurant le temps que met la lumière à rebondir et à revenir vers la caméra.

Comme nous connaissons déjà la vitesse de la lumière et le fait qu’elle parcourt exactement deux fois la distance entre le capteur et l’objet, il devient simple de calculer la distance à l’aide d’une formule de base :

(Vitesse de la lumière x Temps de vol)/2

Certaines caméras ToF peuvent également utiliser des ondes continues pour détecter les déphasages dans la lumière réfléchie afin de déterminer la profondeur et la distance. Là encore, en fonction du type de capteur utilisé, il est possible d’extraire un grand nombre d’informations. Celles-ci peuvent être utilisées pour créer des cartes en 3D de l’environnement du capteur.

Où les capteurs ToF sont-ils utilisés ?

Comme nous l’avons mentionné, les capteurs ToF ont été utilisés dans de nombreux smartphones comme caméra de « profondeur » pour aider l’appareil photo principal de l’appareil à produire des photos de meilleure qualité en mode portrait. Ces photos visent à créer une faible profondeur de champ pour reproduire l’objectif d’un appareil photo. Étant donné qu’il est essentiel de connaître la profondeur des différents objets dans ce type de photos pour obtenir un arrière-plan flou, les caméras et les capteurs ToF peuvent faire toute la différence.

En outre, les caméras ToF sont également utilisées dans l’authentification biométrique, où un appareil doté d’une caméra ToF peut créer une carte 3D d’un visage à utiliser comme référence pour déverrouiller l’appareil. C’est essentiellement ainsi que fonctionne la technologie de déverrouillage du visage, notamment Face ID d’Apple. Elle est également plus sûre que la simple comparaison de deux images pour déterminer une correspondance, car il y a plus de données à utiliser que les algorithmes traditionnels de vision par ordinateur qui fonctionnent sur des données 2D.

Ils sont couramment utilisés dans les voitures électriques et autres systèmes de navigation grâce à leurs capacités de détection d’objets et à leur taux d’interrogation élevé, qui peut atteindre près de 160 Hz sur certains capteurs. Ils sont donc parfaits pour les applications en temps réel telles que la détection d’objets, la navigation et même le floutage de l’arrière-plan lors de vos appels Zoom.

Cette capacité à différencier le sujet de l’arrière-plan est également souvent appliquée à l’impression 3D. Les caméras ToF peuvent facilement reproduire un objet réel dans les trois dimensions, ce qui vous évite de devoir le concevoir à partir de zéro, surtout s’il s’agit d’une structure complexe.

Les capteurs ToF contribuent également à l’imagerie 3D et à l’amélioration des expériences de RA, en plus de la numérisation d’objets, de la navigation gestuelle et de la navigation intérieure.

On trouve des capteurs ToF sur la Xbox Kinect de Microsoft et sur d’autres projets de reconnaissance gestuelle, sur des drones et sur des casques de réalité augmentée. Dans l’ensemble, leur polyvalence signifie que leurs cas d’utilisation vont de la suite d’appareils photo d’un smartphone au système de navigation d’une voiture autonome.

Avez-vous besoin d’une caméra ToF sur votre téléphone ?

Pas vraiment.

La photographie informatique a beaucoup évolué et la plupart des smartphones modernes disposent d’un logiciel suffisamment performant pour séparer complètement le sujet de l’arrière-plan à l’aide d’un logiciel. En outre, lorsqu’il s’agit de photographie sur smartphone, le nombre de mégapixels et la taille du capteur de l’appareil photo peuvent faire une différence beaucoup plus importante.

S’il fut un temps où les caméras ToF équipaient couramment les smartphones phares, on les trouve aujourd’hui principalement sur les appareils de milieu de gamme ou sur la gamme iPhone Pro sous la forme de capteurs LiDAR, un concept qui fonctionne sur le principe du temps de vol.

Cependant, la présence d’une caméra ToF sur votre téléphone peut parfois s’avérer utile, notamment en termes d’authentification biométrique. Elle peut également fournir un utilitaire de mesure de la distance intégré à votre téléphone et fournir plus de données de profondeur au logiciel de photographie par calcul fonctionnant sur votre téléphone, ce qui permet d’obtenir des photos en mode portrait encore plus réussies.

Connaissez vos capteurs

Les smartphones sont équipés d’un nombre croissant de capteurs qui améliorent votre expérience. La caméra ToF n’est qu’un autre de ces capteurs sur votre téléphone qui ne peut pas être utilisé directement, mais qui peut faire une grande différence pour plusieurs autres fonctions.

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