ToF(Time of Flight) imaging 기술
이전 글에서 ToF 에 대해서 살펴봤었습니다.
ToF(Time of Flight)도
디지털 이미지의
한 종류입니다.
단, 일반적인 RGB 카메라처럼
색과 밝기를 저장하는 이미지가 아니라,
각 픽셀마다 거리(depth) 정보를 저장한
“거리 이미지 (depth map)”를
생성한다는 점이 다릅니다.
ToF 카메라가 만들어내는 데이터도
디지털 방식으로 저장되고 처리되므로
디지털 사진의 일종이라고 볼 수 있습니다.
디지털이란? 아래 글을 참고하시면
도움이 될 듯 합니다.
| 항목 | 일반 디지털 사진 (RGB 이미지) | ToF 이미지 (Depth 이미지) |
|---|---|---|
| 픽셀 값 의미 | 색상(RGB)과 밝기 | 물체까지의 거리 (mm 단위 등) |
| 센서 응답 | 광량(빛의 세기) | 빛의 반사 시간 (Time delay) |
| 목적 | 시각 정보 전달 (색/모양) | 거리 정보 측정 (3D 정보) |
| 활용 분야 | 일반 사진, 영상 | 얼굴 인식, LiDAR, AR/VR 등 |
ToF imaging 기술을 용용한
여러 사용 예시는
아래와 같습니다.
Single Photon Avalanche Diode (SPAD) 기술
여러 예시 중
Single Photon Avalanche Diode (SPAD)
에 대하여 살펴보겠습니다.
Single Photon Avalanche Diode (SPAD)는
단일 광자(빛의 입자) 수준에서
빛을 감지할 수 있는 매우
민감한 광센서입니다.
SPAD는 단일 광자가 도달했을 때
전기 신호를 생성할 수 있는 능력으로 인해
다양한 광학 및 이미지 처리 응용 분야에서
중요한 역할을 합니다.
| 모드 | 동작 전압 | 출력 | 주요 용도 |
|---|---|---|---|
| Geiger Mode | 항복 전압 이상 | 디지털 (0/1) | 단일 광자 감지, 양자 암호, ToF 센서 |
| Linear Mode | 항복 전압 이하 | 아날로그 | 밝기 측정, 일반 광 센서 |
Linear Mode는 빛의 강도를 연속적으로
측정하는 데 사용되며,
Geiger Mode는 단일 광자를 감지하고
디지털 펄스를 생성하는 데 사용됩니다.
따라서, 특정 응용 분야의 요구 사항에
따라 적절한 모드를 선택하여
사용할 수 있습니다.
Geiger Mode (가이거 모드) – 단일 광자 검출 모드
Geiger mode 는 1개의 Photon 도 탐지합니다.
따라서, 어느 특정 시간에 도착한
Photon 의 개수를 기록할 수 있습니다.
하지만, 초반에 탐지될 수록
정확히 카운팅 될 확률이 높고
점점 탐지할 확률이 줄어듭니다.
이러한 효과를 pile-up 이라고 합니다.
한 개의 Photon 을 측정하기 위해
민감한 센서가 매우 짧은
Exposure time 을 갖다보니,
노이즈가 심해 multiple low power puses
사용하여 노이즈를 줄입니다.
Linear Mode (선형 모드) – 광자 수량 측정
이번에는
Linear Mode (선형 모드)
에 대해서 살펴보겠습니다.
Linear Mode 방식으로
촬영하는 방법 중 대표적으로
Continuous-wave ToF (CW-ToF) imaging
있습니다.
| 구분 | Continuous-wave ToF (CW-ToF) |
|---|---|
| 사용 모드 | ✅ Linear Mode |
| 왜? | CW-ToF는 연속적으로 변조된 빛(예: 사인파, 정현파)을 보내고, 그 반사된 빛의 위상(phase shift)을 측정합니다. 위상 차이를 통해 거리 정보를 얻기 때문에, 빛의 세기를 연속적으로 정밀하게 측정해야 합니다. |
| 필요한 기능 | 반사광의 연속적인 강도 및 위상 측정 |
| 결과 | 아날로그 전류 → 거리 계산 |
빛을 Wave optics 로 해석할 수 있었습니다.
시간에 따라 변하는 intensity 에서
발생하는 Phase shift 를 이용하여
거리를 구할 수 있습니다.
Continuous-wave ToF (CW-ToF) imaging은
Phase shift를 계산하기 위해
빛을 3가지 변수로 모델링합니다.
[offset, amplitude, phase] 주기는
우리가 빛을 쏴줄 때
광원을 셋팅하므로
이미 알고있습니다.
이 3개의 변수를 구하기 위해서는
3번의 관측이 필요합니다.
빛을 순간 측정하다 보니,
Exposure time 이 매우 짧아
노이즈가 심합니다.
따라서 correlation 이라는
작업을 진행해줍니다.
상관 함수는 두 신호 간의
유사성을 측정하는 도구로,
시간 지연에 따른
두 신호의 곱을 적분하여 계산됩니다.
Phase Shift ToF 시스템에서는
기준 신호와 수신 신호 간의 상관을
계산하여 위상 변화를 측정합니다.
이렇게 3개의 sensor exposure functions 을
사용하면 3가지 변수를 구할 수 있습니다.
짧은 시간마다 Noise robust 한
Depth 도 측정할 수 있게 됩니다.
하나 문제가 있습니다.
Phase 는 0~360 사이에서
반복되기 떄문에
90도와 450도의 위상이
같아지게 됩니다.
다른 depth 인데도 불구하고
동일한 depth 로 측정이 되는
phase wrapping 현상이 발생합니다.
주파수가 높을수록
위상 랩핑 문제가
더 자주 발생합니다.
이는 높은 주파수에서
동일한 시간 지연에 대해
더 큰 위상 변화를
초래하기 때문입니다.
두 개의 다른 주파수를 이용하여
Phase 를 계산하여 모호함을
해결할 수 있습니다.
ToF 시스템에서 간섭은
다양한 원인 (다중 경로 간섭, 신호 간섭, 반사체의 특성)으로
인해 발생하며,
이는 정확한 거리 측정을 방해하고
Ground Truth와의 오차를
초래할 수 있습니다.
이러한 간섭 문제를 해결하기 위해
다중 주파수 사용,
고급 신호 처리 기법,
하드웨어 개선 등의 방법이
사용될 수 있습니다.
| 항목 | Direct ToF | Indirect ToF (CW 방식) |
|---|---|---|
| 원리 | 빛의 발사–반사 시간 직접 측정 | 주파수 변조된 빛의 위상차 분석 |
| 주요 구성 요소 | 펄스레이저, 고속 광검출기, 타이머 | 변조광원, 위상 검출기, 동기화 유닛 |
| 장점 | 정밀하고 빠름 | 고해상도, 구조 간단 |
| 단점 | 고가, 광원 출력 필요 | 위상 래핑 발생, 보정 필요 |
| 사용 예시 | 라이다, 얼굴 인식, 산업용 스캐너 | 스마트폰 카메라, 로봇 비전, 제스처 인식 |
그런 건 난 잘 모르겠고,
ToF는
빛의 반사 시간을
직접 혹은 간접적으로
측정해서 거리를
계산하는 기술
참고자료
