ToF特集
ToFカメラとは？
ToFカメラを使ってできること

ToFとは
ToFのメリット
ToFでできること
ToFの使用例

TOFカメラとは？～TOFカメラを使ってできること～

物体認識の分野で最近注目されているToFですが、どの様な技術なのかご存じない方もいらっしゃると思います。この特集ではToFの仕組みから特徴・利点・活用例などをご紹介します。ToFを理解することで、現在抱えている課題の解決にお役立ていただければと思います。また、今後の連載にてToFに対する東京エレクトロンデバイスの取り組みのご紹介を予定しております。

1.ToFとは
2.ToFのメリット
3.ToFでできること
4.ToFの使用例

ToFとは

ToFとはTime Of Flightの略称で、赤外光を使って距離を計測する技術です。自分自身が照射した赤外光が被写体に当たり、その反射光が戻ってくるまでの時間（それに相当する情報）を求めます。被写体までにかかった時間が分かれば、光の速さは分かっているので、「距離＝光速 ✕ 時間」の公式で、距離を求めることができます。ToFは特定ポイントまでの距離を測る1D-ToFと、光の照射範囲を拡散してカメラのように画像で距離情報を得る3D-ToFがあります。単純に距離だけ知りたい場合は1D-ToF、距離＋画像処理を実施したい場合は3D-ToFとなります。

「距離＝光速 ✕ 時間」

ToFのメリット

物体認識や3次元計測の分野では、距離を計測してセンシングするソリューションが増えており、スマートフォンやゲーム機器にも使われ始めています。これらをDepthセンサーと言いますが、ToFの他にも幾つかの方式があります。詳細の比較は今後の特集でもご紹介したいと思いますが、小型化、CPU負荷が少ない、暗所での利用などの利点がToFにはあります。

	ステレオビジョン	ストラクチャードライト	ToF (Time of Flight)
	カメラ	2眼	1眼	1眼
光源	場合によって必要	プロジェクター	LD/LED
距離演算負荷	高	高	低
暗所	カメラによる	カメラによる	OK
原理	2つの画像の視差測定し、三角測量の原理で奥行き距離を計算	パターンを投影して、カメラで投影状況を取得。パターンの歪具合から奥行き情報を計算	照射光が被写体に反射して戻ってくるまでの時間を測定。距離＝速さｘ時間の原理で奥行き距離を計算

ToFでできること

ToFで取得した距離情報を画像化したものをDepth画像と呼んでいます。Depth画像は距離値を並べて絵にした画像です。

弊社のToFカメラモジュールですと距離情報が640×480のVGA画像として出力されます。（図①）

Depth画像をそのまま表示する図①のようにグレースケールの見えにくい画像となりますので、評価などの際には距離値に色を割り振って、疑似カラー化を行います。よくサーモグラフィ画像と間違えられます。（図②）

また、赤外光を使用しているので、監視カメラのようなIR画像も同時に取得できます。（図③）

例えば、IR画像で何か物体を認識したい場合、背景や対象物以外の物は画像処理の邪魔になります。そこで、Depth画像の距離情報を元に対象物の距離以外の物体を削除することが簡単にできます。（図④）

図1_Depth画像図2_Depth疑似カラー図3_IR画像図4_Depth IRを組み合わせた画像処理例

距離がわかることで、カメラを起点として3次元空間座標を導き出す事ができます。X,Y,Zの座標が分かることで、ToFカメラからの距離や位置情報は勿論、物の大きさの判別・体積などの情報収集も可能です。例えば、人を認識したい場合にToFカメラを活用すると、位置・人数・身長などの情報が収集できます。アプリケーションの組み方次第では、歩く速さ・エリア内でのタグ付・共連れ入場検知・ジェスチャ操作など、IR画像の認識と組み合わせると、幅広い応用が可能となります。

直交座標（X,Y,Z）変換

寸法・体積計測

人認識・ジェスチャ

ToFの使用例

・暗闇でのセンシング赤外光を照射。ToFの最適環境は、自分が発光する光以外無い0lux環境です。ToFの特徴説明を一言で例えると“闇夜のカラスが撮れる”です。
	可視光カメラでは捉えられない暗闇の中の物体をToFカメラは捉えることが可能
・人数カウント/行動分析アプリケーションとの組合せで活用できます。人と人との間隔（ソーシャルディスタンス）の検知にも役立てます。
	商業施設での人の流れ・混雑状況の把握や、生産現場の工程に対する工数管理などへの応用
・ロボットピッキング/障害物検知距離情報＋画像処理を行うことで、大きさの判別・形状の認識が可能です。
	ロボットによるデパレタイズや低速移動体の障害物検知などへの応用