{"id":3805,"date":"2020-04-13T12:25:31","date_gmt":"2020-04-13T10:25:31","guid":{"rendered":"https:\/\/conakrynews.org\/2020\/04\/13\/comment-fonctionnent-les-capteurs-tof-ces-cameras-qui-voient-en-3d-grace-a-la-vitesse-de-la-lumiere\/"},"modified":"2020-04-14T01:51:19","modified_gmt":"2020-04-13T23:51:19","slug":"comment-fonctionnent-les-capteurs-tof-ces-cameras-qui-voient-en-3d-grace-a-la-vitesse-de-la-lumiere","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/conakrynews.org\/index.php\/comment-fonctionnent-les-capteurs-tof-ces-cameras-qui-voient-en-3d-grace-a-la-vitesse-de-la-lumiere\/","title":{"rendered":"Comment fonctionnent les capteurs ToF, ces\u00a0cam\u00e9ras qui voient en 3D gr\u00e2ce \u00e0 la vitesse de la lumi\u00e8re"},"content":{"rendered":"

<\/p>\n

\n

Aussi d\u00e9fini soit-il, le super capteur 64 m\u00e9gapixels du nouveau Galaxy\u00a0S20+ a une limite\u00a0: il voit le monde en 2D. Ce capteur d\u2019image CMOS n\u2019a aucune id\u00e9e de la distance des objets puisqu\u2019il ne sait \u00e9valuer que la quantit\u00e9 de lumi\u00e8re et sa couleur. S\u2019il arrive \u00e0 simuler de jolis arri\u00e8re-plans flous, c\u2019est gr\u00e2ce au soutien d’un module compagnon qui prend place entre les diff\u00e9rents modules cam\u00e9ra \u00ab\u2009normaux\u2009\u00bb.<\/p>\n

<\/figure>\n

Lui aussi \u00e9quip\u00e9 d\u2019une optique, ce module int\u00e8gre bien un capteur construit par le proc\u00e9d\u00e9 CMOS, mais dont le fonctionnement et les missions sont tr\u00e8s diff\u00e9rentes. Ce composant s\u2019appelle \u00ab\u2009capteur de temps de vol\u2009\u00bb ou ToF sensor en anglais (pour Time of Flight<\/em>). Un capteur qui se fiche qu\u2019un objet soit\u00a0bleu ou rouge ou m\u00eame de la luminosit\u00e9 ambiante. Il ne s\u2019int\u00e9resse qu\u2019\u00e0 une chose\u00a0: la mesure de la distance.<\/p>\n

Le capteur ToF, un composant \u00ab\u2009actif\u2009\u00bb<\/h3>\n
\"\"\/
<\/figure>\n
\n

\u00ab\u2009Un capteur d\u2019image classique se comporte comme la r\u00e9tine d\u2019un \u0153il, il est passif<\/em>\u2009\u00bb, explique Radu Horeau, directeur de recherche \u00e0 l\u2019INRIA \u00e0 Grenoble. \u00ab\u2009A contrario, un capteur ToF est un composant actif puisqu\u2019il mesure non pas la lumi\u00e8re ambiante, mais un genre \u201cd\u2019\u00e9cho\u201d de celle qu\u2019il \u00e9met.\u2009<\/em>\u00bb<\/p>\n<\/blockquote>\n

En effet, le dispositif complet est compos\u00e9 de deux \u00e9l\u00e9ments\u00a0: le capteur de temps de vol en lui-m\u00eame et un syst\u00e8me d\u2019illumination de la sc\u00e8ne. Deux composants qui travaillent de concert.<\/p>\n

\n

\u00ab\u2009C\u2019est la mesure du temps que met la lumi\u00e8re \u00e0 revenir au capteur qui permet de d\u00e9terminer sa distance aux objets<\/em>\u2009\u00bb, continue le chercheur.<\/p>\n<\/blockquote>\n

Selon les usages, les formats et les contraintes, diff\u00e9rents types de sources lumineuses peuvent \u00eatre employ\u00e9s \u2014 infrarouge (IR), laser ou lumi\u00e8re visible \u2014 mais le principe reste le m\u00eame pour tous les capteurs ToF.
Selon leurs dimensions, ces capteurs\u00a0ont une distance de fonctionnement plus ou moins large, mais de mani\u00e8re g\u00e9n\u00e9rale ceux qui sont employ\u00e9s dans les smartphones fonctionnent de quelques centim\u00e8tres \u00e0 3 ou 4m du terminal.<\/p>\n

\u00c0 la nanoseconde pr\u00e8s<\/h3>\n
\"\"\/
<\/figure>\n

Il faut parler de la vitesse \u00e0 laquelle ces capteurs fonctionnent. Une vitesse fabuleuse puisqu\u2019ils mesurent le trajet de l\u2019objet (onde et\/ou corpuscule, choisissez votre camp\u2009!) le plus rapide de l\u2019univers\u00a0: la lumi\u00e8re.<\/p>\n

\n

\u00ab\u2009Comme on conna\u00eet tr\u00e8s bien la vitesse de la lumi\u00e8re<\/em> (ndr\u00a0: 299\u2009792\u2009458\u00a0m\u00e8tres par seconde) il suffit de diviser le temps par deux la mesure de temps pour obtenir la distance parcourue<\/em>\u2009\u00bb, explique Radu Horeau.<\/p>\n<\/blockquote>\n

Enfin, il suffit, c\u2019est vite dit. Dans la pratique, les capteurs employ\u00e9s dans les smartphones fonctionnent avec une lumi\u00e8re modul\u00e9e et ont recours\u00a0\u00e0 un peu plus de calcul que la simple division du temps par deux. Mais vous avez saisi le principe\u2009!<\/p>\n

Pour un objet plac\u00e9 \u00e0 5\u00a0m du capteur, la lumi\u00e8re ne met que 0,000\u2009000\u2009033\u00a0seconde pour faire l\u2019aller-retour. Oui,\u00a0seulement 33\u00a0nanosecondes s\u00e9parent l\u2019\u00e9mission de la lumi\u00e8re et sa r\u00e9ception par le capteur ToF.<\/p>\n

\"\"\/
<\/figure>\n

Compar\u00e9 aux capteurs d\u2019image traditionnels, le capteur ToF\u00a0est, d\u2019une part, d\u00e9pourvu de matrice color\u00e9e, ce qui le rend bien plus sensible \u00e0 la lumi\u00e8re. D\u2019autre part, sa d\u00e9finition est bien moindre que celle des capteurs classiques de smartphones.
Quand ceux qui sont d\u00e9di\u00e9s \u00e0 la photo affichent de 8 Mpix \u00e0 108 Mpix (Xiaomi Mi Note 10<\/a>), les capteurs ToF des Huawei\u00a0P30 Pro<\/a> et autres Samsung Galaxy\u00a0S20+<\/a> oscillent entre 240 x 180\u00a0pixels et 320 x 240\u00a0pixels.
Soit des d\u00e9finitions comprises entre 0,04\u00a0Mpix et 0,08\u00a0Mpix\u2009! Pas de quoi tirer un bon portrait \u2014 ce qui peut avoir un int\u00e9r\u00eat en mati\u00e8re de vie priv\u00e9e \u2014 mais suffisant pour mod\u00e9liser rapidement les objets en face de vous.<\/p>\n

Outre les modules ToF des smartphones qui utilisent une lumi\u00e8re LED modul\u00e9e (qui calculent une diff\u00e9rence de phase de la lumi\u00e8re), on retrouve aussi les capteurs ToF dans certains LiDAR comme celui de l’iPad Pro 2020. Un LiDAR qui utilise, lui, une grille de lasers pour mesurer, outre le temps de trajet de la lumi\u00e8re, la d\u00e9formation de sa grille de points pour mod\u00e9liser les objets.<\/p>\n

Moins de d\u00e9finition = plus de lumi\u00e8re par pixel<\/h3>\n
\"\"\/
<\/figure>\n

La raison principale de cette moindre d\u00e9finition est que chaque pixel (ou groupe de pixels, comme on va le voir) est 100\u00a0% ind\u00e9pendant des autres. La lecture des informations ne se fait pas de mani\u00e8re globale (CCD) ou ligne par ligne (CMOS), mais bien pixel par pixel. Chacune des photodiodes doit donc \u00eatre lue de mani\u00e8re ind\u00e9pendante, ce qui impose bien plus de circuiterie, plus de complexit\u00e9. Et donc moins de place pour les pixels dans un espace limit\u00e9.<\/p>\n

Il faut ajouter \u00e0 cela que les photodiodes de chaque pixel doivent avoir une taille minimale pour collecter efficacement la lumi\u00e8re.<\/p>\n

\n

\u00ab\u2009Puisqu\u2019il doit \u00eatre tr\u00e8s rapide, le capteur ToF doit avoir de gros pixels pour capter au mieux la lumi\u00e8re. Il faut comparer \u00e7a \u00e0 une bouteille et une carafe de contenances comparables\u00a0: la plus grande ouverture de la carafe fait qu\u2019elle se remplit bien plus rapidement que la bouteille<\/em>\u2009\u00bb, d\u00e9crit Radu Horeau.<\/p>\n<\/blockquote>\n

\"\"\/
<\/figure>\n
\n

Du point de vue de la fabrication m\u00eame, le directeur de recherche \u00e0 l\u2019INRIA\u00a0note que \u00ab\u2009les capteurs ToF sont souvent bas\u00e9s sur des capteurs<\/em> (d\u2019image, ndr) CMOS qui existent d\u00e9j\u00e0. Mais puisque les rayonnements infrarouges<\/em> (\u00e9mis par l\u2019illuminateur, ndr) sont moins puissants que la lumi\u00e8re naturelle, les constructeurs regroupent les pixels en groupes de plusieurs dizaines pour augmenter la sensibilit\u00e9<\/em>\u2009\u00bb du super groupe de pixels.<\/p>\n<\/blockquote>\n

De nouveaux capteurs ToF mieux d\u00e9finis arrivent sur le march\u00e9 et il ne fait pas de doute que les d\u00e9finitions vont continuer \u00e0 s\u2019am\u00e9liorer. Une am\u00e9lioration qui a commenc\u00e9 \u00e0 s\u2019acc\u00e9l\u00e9rer de mani\u00e8re significative gr\u00e2ce \u00e0 un ancien accessoire de jeux vid\u00e9o que l\u2019on doit \u00e0 Microsoft\u00a0: le Kinect 2.<\/p>\n

Le ToF popularis\u00e9 par la Kinect 2<\/h3>\n
\"\"\/
<\/figure>\n

La premi\u00e8re version du Kinect lanc\u00e9e au temps de la Xbox\u00a0360 s\u2019appuyait sur un syst\u00e8me de lumi\u00e8re structur\u00e9e. En revanche, le Kinect 2 embarque lui un capteur ToF.
Si les joueurs ont fini par se d\u00e9tourner de l\u2019appareil \u2014 la production a \u00e9t\u00e9 stopp\u00e9e en 2017 \u2014 l\u2019accessoire a fait l\u2019effet d\u2019une bombe dans le milieu de la recherche. De tr\u00e8s nombreux papiers scientifiques ont analys\u00e9 les diff\u00e9rences entre les deux mod\u00e8les, d\u00e9cortiqu\u00e9 les m\u00e9thodes utilis\u00e9es par les ing\u00e9nieurs de Microsoft pour relever certains d\u00e9fis techniques, etc.<\/p>\n

\"\"\/
<\/figure>\n
\"\"\/
<\/figure>\n

Comme la Wii de Nintendo qui a, en son temps, fait baisser le prix des gyroscopes et acc\u00e9l\u00e9rom\u00e8tres, le Kinect\u00a02 a mis dans la main des scientifiques un capteur ToF d\u2019une d\u00e9finition tout \u00e0 fait honorable \u2014 512 x 424\u00a0pixels, soit une d\u00e9finition de 0,22\u00a0Mpix \u2014 alors que les capteurs scientifiques \u00e9taient hors de prix. Et le prix\u00a0est une des raisons majeures du succ\u00e8s de cette technologie.<\/p>\n

Instantan\u00e9it\u00e9, taille, prix et s\u00e9curit\u00e9(s)<\/h3>\n
\"\"\/
<\/figure>\n

Parmi les 35\u00a0millions de Kinect vendus par Microsoft, aux alentours d\u2019une dizaine de millions d\u2019unit\u00e9s sont des Kinect One\/PC. Cette industrialisation sans pr\u00e9c\u00e9dent dans l\u2019histoire de cette technologie permet d\u2019int\u00e9grer aujourd\u2019hui ce qui \u00e9tait jusqu\u2019ici des composants scientifiques de pointe dans les smartphones (certes haut de gamme pour l\u2019heure).<\/p>\n

\"\"\/
<\/figure>\n
\"\"\/
<\/figure>\n

Ce prix est l\u2019atout phare de l\u2019int\u00e9gration des composants, mais il faut ajouter \u00e0 cela d\u2019autres arguments d\u2019importance. Il y a la petite taille des composants dans un second temps, une miniaturisation qui a elle \u00e9t\u00e9 rendue possible par l\u2019explosion de la demande et de la R&D dans le domaine des capteurs d\u2019images \u2014 dont les ToF d\u00e9coulent du point de vue de la production.<\/p>\n

Il y a aussi la rapidit\u00e9 et la pr\u00e9cision de ces capteurs ensuite, qui permettent d\u2019envisager de nombreux usages notamment en mati\u00e8re de r\u00e9alit\u00e9 augment\u00e9e (AR) ou de s\u00e9curit\u00e9.<\/p>\n

\"\"\/
<\/figure>\n

Une s\u00e9curit\u00e9 qui est le dernier argument de ces capteurs. Contrairement \u00e0 certaines technologies comme le laser dont le d\u00e9ploiement dans les appareils grand public est tr\u00e8s limit\u00e9 de par la puissance des rayonnements, les ToF indirects employ\u00e9s par les smartphones se contentent d\u2019un rayonnement IR cr\u00e9\u00e9 par de simples LED et donc inoffensif. \u00a0<\/p>\n

Des smartphones aux voitures<\/h3>\n
\"\"\/
<\/figure>\n

Le futur des ToF ne va pas s\u2019arr\u00eater aux smartphones. Il est d\u00e9j\u00e0 pr\u00e9sent dans de nombreux appareils tels que les drones et il va se d\u00e9velopper dans tous les segments de l\u2019industrie Tech, des casques VR aux \u00e9crans, des robots aux b\u00e2timents et jusqu\u2019aux automobiles. D\u2019une part pour ses fonctions premi\u00e8res de mesure de la distance \u2014 et incidemment de la vitesse \u2014 et de soutien aux modules cam\u00e9ra.<\/p>\n

\"\"\/
<\/figure>\n

Mais aussi, d’autre part,\u00a0en qualit\u00e9 de collecteurs de donn\u00e9es spatiales.<\/p>\n

\n

\u00ab\u2009Les capteurs ToF sont peu on\u00e9reux et leur d\u00e9veloppement va permettre de r\u00e9colter \u00e9norm\u00e9ment de donn\u00e9es \u201cpas ch\u00e8res\u201d pour nourrir l\u2019apprentissage machine dans de nombreux secteurs<\/em>\u2009\u00bb, note Radu Horeau.<\/p>\n<\/blockquote>\n

\"\"\/
<\/figure>\n