Sensore Time of Flight (ToF) sempre più presente negli smartphone: cos'è

Gli smartphone più recenti e completi integrano un depth sensor in aggiunta a quello principale che è in grado di raccogliere informazioni sulla profondità analizzando in tempo reale le informazioni acquisite e imitando un po’ il comportamento del sistema visivo umano.

Alcuni sensori, che saranno sempre più comuni in futuro, sono di tipo time of flight (ToF): essi sono cioè capaci di stimare in tempo reale la distanza tra la telecamera e gli oggetti inquadrati. Viene infatti calcolato il tempo che impiega l’impulso luminoso a percorrere il tragitto telecamera-oggetto-telecamera (il cosiddetto “tempo di volo“, appunto).
I sensori Time of Flight riconoscono la profondità degli oggetti in maniera molto più precisa e nel caso dei sistemi di sblocco facciale o mediante altre caratteristiche biometriche, non possono essere tratti in inganno, per esempio, da foto stampate o riproduzioni di vario genere.

Le fotocamere ToF sono contraddistinte da spiccate abilità nella registrazione delle informazioni relative alla profondità di campo. Si pensi, per esempio, a uno smartphone come lo Huawei P30 Pro: il depth sensor è quattro volte migliore rispetto a quello che equipaggia le fotocamere convenzionali.

In fotografia, la profondità di campo rappresenta la zona in cui gli oggetti raffigurati nell’immagine appaiono ancora nitidi e sufficientemente focalizzati. Una fotocamera ToF offre scatti davvero entusiasmanti, soprattutto quando primo piano e sfondo sono chiaramente individuabili.
Di base, quindi, una fotocamera ToF può essere utilizzata per produrre immagini di qualità o video altrettanto convincenti grazie anche alla stabilizzazione avanzata oppure per esaltare il risultato ottenibile ricorrendo ai filtri di Instagram.
I sensori ToF possono essere sfruttati anche per la corretta elaborazione delle gesture, per il riconoscimento facciale avanzato, per migliorare l’esperienza d’uso durante l’impiego della realtà aumentata o mista.

Il concetto di Time of Flight non è affatto nuovo: esiste infatti dagli anni ’70 anche se è solamente oggi che i sensori di questo tipo sono diventati sufficientemente economici tanto da essere inseribili anche nei dispositivi mobili consumer.
Il sensore Kinect della console Microsoft Xbox One è stato uno dei primi esempi di applicazione della tecnologia in un prodotto pensato per il mercato di massa.
Nonostante Kinect non abbia ottenuto il successo sperato, il sensore ToF è stato recentemente inserito in un dispositivo ampiamente utilizzabile in campo professionale: Azure Kinect Developer Kit, cos’è e come funziona.

Per quanto riguarda gli smartphone, al momento della stesura del presente articolo sono ancora pochi gli smartphone dotati di un sensore ToF: LG G8 ThinQ, Honor View 20, Huawei P30 Pro, Oppo RX17 Pro.
Si tratta di dispositivi che aprono una nuova strada che sarà con ogni probabilità calcata anche da Samsung ed Apple tra fine 2019 e il 2020.

Time of Flight: utilizzo di un meccanismo simile al Lidar

Il meccanismo utilizzato da delfini e da altri cetacei per rilevare le caratteristiche dell’ambiente circostante ha ispirato la nascita del sonor, ampiamente impiegato nei sommergibili.
I sensori Time of Flight usano un approccio simile per raccogliere informazioni: anziché sull’utilizzo di impulsi sonori, il meccanismo sfrutta il Lidar, una tecnica di telerilevamento che consente di determinare la distanza di un oggetto o di una superficie utilizzando un impulso laser.

Fonte: Mouser Electronics.

Di Lidar abbia spesso parlato in passato perché è parte integrante del sistema di guida autonoma sviluppato da Waymo, la controllata di Google-Alphabet: Waymo (Google) accusa Uber: ci hanno rubato la nostra tecnologia. Tesla, invece, usa una soluzione differente basata su una batteria di sensori e videocamere.

Nel caso degli smartphone con tecnologia ToF, vengono inviati impulsi nello spettro dell’infrarosso che vengono riflessi dagli oggetti circostanti. Una parte della luce si perde mentre una porzione torna indietro verso il sensore posto sul dorso dello smartphone.
Misurando il tempo che ciascun impulso impiega per tornare indietro, lo smartphone può creare una dettagliata mappa 3D dell’ambiente che lo circonda.
Il sensore CMOS usato per il Time of Flight consta sia di un emettitore che di un ricevitore; esso abilita i calcoli per la distanza degli oggetti a livello di singolo pixel con performance che si avvicinano ai 160 fps.

Riconoscimento delle gesture utilizzando un sensore ToF. Fonte: Mouser Electronics.

Trattandosi di una tecnologia che permette di comporre mappe tridimensionali alla velocità della luce, ToF sarà sempre più utilizzato in futuro sia in ambito business che consumer.

Il Samsung Galaxy S10 5G includerà fotocamera ToF sia sul frontale che sul dorso ed è quasi scontato che Apple offrirà caratteristiche molto simili nei suoi iPhone di quest’anno.
L’obiettivo non è solamente quello di migliorare i risultati degli scatti fotografici ma anche di rendere più sicure le tecnologie per il riconoscimento facciale e lo sblocco 3D del telefono.

Microsoft Kinect ha dettato la via ma il mercato non era ancora pronto: nei prossimi anni sensori ToF sono destinati a sbarcare anche su PC, assistenti digitali da salotto, dispositivi installabili in auto, smartwatch e altro ancora. Il fine ultimo è quello di controllare il funzionamento di ciascun prodotto usando semplici gesti.

Come accennato in precedenza, i sensori ToF sono ideali per essere usati nelle applicazioni per la realtà virtuale e aumentata: gli ambienti generati artificialmente sembreranno ancora più reali tanto che gli oggetti generati in 3D potranno interagire in maniera ancora più precisa con l’ambiente reale circostante.
Inutile dire che grazie ai sensori ToF gli sviluppatori potranno mappare velocemente e in modo accurato lo spazio creando modelli 3D da riutilizzare, per esempio, nella realizzazione di videogiochi, filmati, documentari, ricostruzioni e simulazioni.

La risoluzione del sensore ToF che è stato installato nel G8 di LG è pari a 224 x 172 pixel: davvero pochissimo ma sufficienti per generare la mappa di profondità. Con il passare del tempo tale risoluzione comincerà ad aumentare significativamente.