ANALOG/MIXED SIGNAL
ToF
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- ELETTRONICA OGGI 439 - SETTEMBRE 2014
Inoltre il kit è supportato dal middleware di Kinetic IISU,
in grado di rilevare gesti e posizioni dell’intero corpo an-
che a distanza ravvicinata. SoftKinetic ritiene infatti che il
“controllo gestuale” (e il conseguente riconoscimento dei
movimenti) rappresenti il futuro delle interfacce utente e
dell’interattività digitale.
Il chip set di Texas Instruments (Fig. 1) è composto da un
infrared LED driver, un sensore ToF 3D, un AFE (Analog
Front End VSP5324) e un TFC OPT91xx (Time of Flight Con-
troller). Il sensore ToF offre un’uscita analogica, consente
di misurare la distanza di un oggetto per ciascun pixel della
scena inquadrata, ed è disponibile in due versioni: OPT8130
e OPT8140. La prima permette di operare a 870 nm con una
risoluzione QQVGA di 160 x 120 punti con un pixel-size di
30 μm, mentre la seconda opera a 850 nm con una risolu-
zione QVGA di 320 x 240 punti con un pixel-size di 15 μm.
Il sensore ToF 3D è costituito da un pixel-array Cmos in
grado di supportare un’elevata frequenza di modulazione
(oltre 50 MHz) e offrire un rapporto segnale rumore (SNR)
cinque volte superiore a progetti concorrenti. AFE VSP5324
supporta fino a 4 canali differenziali, ciascuno provvisto di
front-end di tipo sample-and-hold, che permette di minimiz-
zare il rumore di modo comune. L’A/D converter a 12-bit
campiona il segnale di ingresso a 80 MSPS e fornisce i dati
in uscita in modalità seriale su due canali differenziali.
Il TFC (ToF Controller) è un dispositivo che provvede a sin-
cronizzare le operazioni del sensore ToF, dell’AFE e del di-
spositivo illuminante (LED/laser). Il TFC attua la scansione
dei pixel, ne calcola la “profondità” del segnale ricevuto ed
effettua le necessarie operazioni di de-aliasing, de-noising,
sintonizzazione della frequenza e compensazione termica
della misura. Inoltre, provvede a gestire i segnali di ingres-
so e uscita, nonché alla serializzazione e deserializzazione
dei dati. L’accesso da parte di un dispositivo esterno ai dati
gestiti dal TFC può essere effettuato in vari modi: un USB
controller, un bus SPI o un’interfaccia DVP/CAMIF.
La tecnica del “Time of Flight”
La tecnologia detta del “Time of Flight” (ToF) ha per-
messo di rivoluzionare i sistemi di visione artificiale
consentendo la tridimensionalità (la cosiddetta 3D
imaging), grazie all’impiego di sensori basati su ar-
ray di pixel Cmos a basso costo e a processori in
grado di elaborare i segnali ToF.
In sostanza, una videocamera di tipo ToF opera “illu-
minando” la scena con una sorgente di luce modu-
lata e monitorando tramite un array di pixel la luce
riflessa dagli oggetti inquadrati. Il sensore rileva gli
impulsi luminosi riflessi, li converte in segnali elettri-
ci e li trasmette al processore ToF, il quale provvede
a misurare lo slittamento di fase fra la luce emessa e la luce
riflessa, parametro dal quale deduce la distanza dell’ogget-
to. In altri termini, il processore rileva il tempo impiegato
dall’impulso luminoso per compiere il percorso dalla sor-
gente all’oggetto e poi al sensore; questo è il motivo per cui
si chiama tecnica di misura del “tempo di volo” dell’impulso
luminoso.
La sorgente utilizzata è tipicamente un laser a stato solido
oppure un LED che emette nel vicino infrarosso, e quindi
invisibile all’occhio umano. Come è noto, il ricorso a una
luce pulsata – così come avviene nella comune sensoristica
e nella robotica – permette non solo di ottenere una misura
accurata della distanza percorsa dal raggio luminoso, ma
anche di rendere trascurabili gli effetti dovuti alla luce am-
bientale.
La fase di rilevamento può essere attuata in due modi: in-
tegrando nel tempo gli impulsi rilevati o facendo partire un
Fig. 3 – Schema funzionale del sistema di acquisizione dei segnali secondo la
tecnica ToF
Fig. 2 – Per ciascun pixel, il processore ToF ricava due segnali C1 e C2,
proporzionali alla differenza di fase fra gli impulsi emessi dal diodo LED
e quelli ricevuti dal sensore
