1.3 Thiết bị quét Kinect v2
1.3.2 Kỹ thuật ToF sóng liên tục trong thiết bị ToF
Đây là kỹ thuật liên quan tới vấn đề gỡ pha, đã được áp dụng để chế tạo Microsoft Kinect v2, thiết bị sẽ được nghiên cứu và ứng dụng trong các chương tiếp theo, vì vậy một mô tả đầy đủ hơn về kỹ thuật ToF sóng liên tục sẽ được giới thiệu trong phần này. Thay vì đo trực tiếp thời gian khứ hồi của một xung ánh sáng, kỹ thuật điều chế sóng liên tục dựa trên việc đo độ lệch pha của tín hiệu phát và thu. Ánh sáng được điều chế bằng cách thay đổi dòng điện đầu vào thành nguồn sáng, tạo ra tín hiệu dạng sóng. Các hình dạng khác nhau của tín hiệu điều chế có thể được sử dụng, nhưng thông dụng nhất là sóng dạng vuông hoặc dạng sin [17]. Kỹ thuật điều chế sóng liên tục làm giảm các yêu cầu đối với nguồn sáng, do đó độ phân giải độ sâu đạt được khi đo sẽ tốt hơn so với kỹ thuật ToF xung đã nêu ở trên.
Có nhiều kiểu khác nhau để gỡ tín hiệu thu được và trích xuất thông tin biên độ và pha từ tín hiệu đó. Một cách truyền thống là tính toán hàm tương quan chéo của tín hiệu điều chế ban đầu và tín hiệu quay lại [17]. Tương quan chéo có thể được tính bằng cách đo tín hiệu trả về tại các pha đã chọn, có thể được thực hiện bằng cách sử dụng bộ trộn và bộ lọc thông thấp trong bộ dò. Tuy nhiên điều này đòi hỏi mạch rất phức tạp, chi tiết xem trong tài liệu [9].
Một cách tiếp cận khác hiệu quả hơn là lấy mẫu ánh sáng được điều chế động bộ bằng cấu trúc điểm ảnh đặc biệt. Ánh sáng đã điều chế nhận lại được trộn đồng thời với tín hiệu tham chiếu và được lấy mẫu ở bốn pha khác nhau (0◦, 90◦, 180◦, 270◦) [17], như minh họa trong hình 1.6. Ưu điểm của kỹ thuật lấy mẫu đồng bộ này là thiết kế đơn giản hơn và kích thước điểm ảnh nhỏ hơn, cho phép đặt nhiều điểm ảnh hơn vào cảm biến, dẫn đến độ phân giải cao hơn. Theo công bố lý thuyết, loại kiến trúc điểm ảnh này được gọi là thiết bị trộn photon [18, 19] hoặc lock-in-pixel [9, 20]. Do vậy, kỹ thuật ToF này sẽ được nghiên cứu chi tiết ngay sau đây.
Theo nguyên lý của kỹ thuật ToF sóng liên tục trong tài liệu [21], các thiết bị gửi tới đối tượng một sóng IRsE(t)có biên độ AE được điều chế bởi hàm sin có tần số fmod, được biểu diễn bởi công thức
sE(t) = AE[1 + sin (2πfmodt)]. (1.4) Tín hiệu sE(t) được phản xạ trở lại bởi bề mặt đối tượng và truyền về bộ thu được đặt cùng vị trí với bộ phát. Tín hiệu truyền đến bộ thu, do sự hấp thụ năng lượng thường liên quan đến sự phản xạ, do sự suy giảm lan truyền đường tự do (tỷ lệ với bình phương khoảng cách) và do sự lan truyền không tức thời
PSfrag replacements
Thời gian tích hợp
IR bức xạ IR phản xạ
Tín hiệu Tín hiệu
Tín hiệu điều khiển 4 pha
Hình 1.6: Nguyên lý gỡ pha của kỹ thuật ToF sóng liên tục (nguồn: [10])
của tín hiệu IR dẫn đến trễ pha ∆ϕ, có thể viết thành
sR(t) =AR[1 + sin (2πfmodt+ ∆ϕ)] +BR, (1.5) trong đó AR là biên độ suy giảm của tín hiệu thu được và BR là bức xạ gây nhiễu ở bước sóng IR của tín hiệu phát ra tới bộ thu.
Hình 1.7 minh họa một ví dụ về tín hiệu phát ra và tín hiệu thu được. Độ lớn AR, sau đây viết tắt là A, được gọi là biên độ của tín hiệu hữu ích. Độ lớn AR+BR được gọi là cường độ và là trung bình của tín hiệu thu được (với thành phần AR do sóng điều chế mang tới và thành phần BR, sau đây viết tắt là B, do quá trình chiếu sáng nền). Theo ký hiệu này, phương trình 1.5 có thể viết lại
PSfrag replacements
Thời gian [s]
Cườngđộ[V]
Hình 1.7: Ví dụ về tín hiệu phát ra sE(t) (màu xanh) và tín hiệu thu được sR(t) (màu đỏ) (nguồn: [21])
thành
sR(t) =A[1 + sin (2πfmodt+ ∆ϕ)] +B. (1.6) Các ẩn số trong phương trình 1.6 là A, B, và ∆ϕ, trong đó A và B là biên độ bức xạ IR được đo theo đơn vị Vôn (V) và ∆ϕ đại diện giá trị pha là một số thuần túy. Ẩn số quan trọng nhất là ∆ϕ, vì các camera ToF sóng liên tục suy ra giá trị độ sâu d từ ∆ϕ và được tính theo công thức
∆ϕ = 2πfmodτd. (1.7)
Thay biểu thức 1.3 vào biểu thức 1.7 và biến đổi ta được d= c
4πfmod
∆ϕ, (1.8)
Sử dụng 4 lần lấy mẫu cách đều nhau theo thời gian từQ1 đếnQ4 bởi tín hiệu tham chiếu, như mô tả trong hình 1.6, tín hiệu thu nhận được lấy mẫu ở các pha khác nhau trong khoảng thời gian tích hợp. Giả sử tín hiệu điều chế không có sóng hài, các phương trình biến đổi Fourier rời rạc có thể được sử dụng để ước tính các ẩn số A, B và ∆ϕ theo các công thức như sau (nguồn: [10])
Aˆ= q
(Q1−Q2)2+ (Q3−Q4)2
2 (1.9)
Bˆ = Q1+Q2+Q3+Q4
4 (1.10)
∆ϕc = arctan
Q3−Q4
Q1−Q2
(1.11)
Độ sâu ước lượng dˆthu được khi thay thế thông tin độ lệch pha ước lượng
∆ϕc đo được theo biểu thức 1.11 vào biểu thức 1.8 dˆ= c
4πfmod
c
∆ϕ, (1.12)
Cường độ, hay còn được gọi là biên độ, A của ánh sáng giảm tỷ lệ thuận với khoảng cách di chuyển theo một cách xác định trước. Do đó, giá trị biên độ nhận được từ biểu thức 1.9 có thể được sử dụng như là một thước đo đáng tin cậy cho các phép đo độ sâu. Ngoài ra, tín hiệu phản xạ thường đặt chồng lên ánh sáng nền là một nguyên nhân gây ra sai số cho phép đo. Do đó, phần bù trong biểu thức 1.10 được sử dụng để phân biệt thành phần ánh sáng được điều chế với ánh sáng nền.
Khi ước lượng giá trị độ sâu dˆtừ độ lệch pha ∆ϕc như trong biểu thức 1.12, điều quan trọng sau đây phải được xem xét. Tín hiệu điều chế theo chu kỳ nên pha của nó chỉ thay đổi theo giá trị 2π. Điều này có nghĩa là giá trị độ sâu dˆ cũng có thể chỉ được đo rõ ràng trong một phạm vi nhất định và giá trị lớn nhất
của độ sâu L chỉ phụ thuộc vào tần số điều chế fmod theo công thức dưới đây L= c
2fmod
. (1.13)