indirect ToF Depth Sensor 기본 원리

*MS의 iToF 관련 문서를 참고하여 작성합니다.

https://devblogs.microsoft.com/azure-depth-platform/understanding-indirect-tof-depth-sensing/

Understanding Indirect ToF Depth Sensing

 

ToF 는 "Time-of-flight"의 줄임말로, 빛이 물체에 반사되어 오는 시간을 측정하여 거리를 얻어내는 센서이다.

 

ToF 구조

 

ToF 센서 구조와 수식

위와 같이 광원/수광부로 이루어져 있으며, 빛이 광원에서 물체에 도달, 반사되어 다시 수광부에 도착할 때까지의 시간을 측정하면, 광속을 곱하고, 2를 나누어 (왕복에 의한 factor) 거리를 계산할수 있다.

 

indirect 의미

식은 중학교 수학 수준이지만 실제 빛의 속도는 매우 빠르기에, 시간을 재어서 정확한 depth를 얻는 일은 쉽지 않다.

indirect ToF는,빛의 밝기를 빠르게 조절(modulation)하며, 수광부 또한 modulation 하여  이 시간을 간접적으로 측정한다.

 

아래는 이해를 돕기위한 단순한 예이다. (reference에 더 깔끔한 figure가 있다.)

광원의 광을 주기적인 pulse로 구동하면, 돌아온 광은 time of flight만큼 지연되게 된다.

수광부는 이를 같은 주기로 modulation하여 측정하면, 지연된 시간에 따라 얻는 광의 크기가 달라지게 된다. (녹색 영역)

이 원리에 따라, 수광부의 신호의 크기를 통해 거리를 역산할 수 있게 된다.

실제 적용시에는 외광에 의한 신호 / 물체의 반사도 등에 따른 밝기 변화를 반영하기 위해, 광원과 수광부 사이에도 일정한 phase shift를 주어 최소 3 phase에서의 데이터를 얻어야 한다.

modulation 된 광원 / Time of Filight 만큼 지연된 returned light / modulator가 있는 수광부 구동

 

iToF spec

현재 depth sensor 중, 가장 high-end 라고 할 수 있는 Azure Kinect의 specification은 아래와 같다.

modulation frequency인 200~300Hz가 광원/수광부의 modulation 주파수이다.

accuracy / 해상도/ working range / FoV 등 대부분의 성능이 indoor application (robot / MR 기기) 에 충분한 성능을 보이고 있다.

 

Azure kinect / Kinect ONE (V2) specifications

Kurillo, Gregorij, et al. "Evaluating the accuracy of the Azure Kinect and Kinect V2." Sensors 22.7 (2022): 2469.

 

iToF 장점

• 상대적으로 높은 정밀도.
  (disparity를 이용한 stereo depth / structured light depth sensor는 거리가 멀어질수록 정밀도가 급격히 떨어짐.)
• 실내의 복잡한 환경에서 유리.
  (stereo depth sensor는 특징점이 없는 벽 등에서 depth 추출에 한계를 보임)

iToF 단점

• 외광 조건에서 정확도가 낮아짐
• 동작 거리에 한계: modulation 주기 이상의  time을 측정할 수 없음
• 전력 소모 :  광원 및 센서 구동에 전력 소모.