Che cos’è una fotocamera Time of Flight (ToF) e perché il mio telefono ne ha una?

Sempre più produttori mettono in risalto la presenza di fotocamere Time of Flight (ToF) nei loro smartphone. Ma cosa sono esattamente queste fotocamere ToF? Come funzionano e perché dovremmo desiderarle nel nostro telefono?

Le fotocamere ToF: una marcia in più nella percezione della profondità

In termini semplici, le fotocamere ToF sono essenzialmente delle normali fotocamere HD, ma con una capacità notevolmente superiore di rilevare la profondità. Per fare un esempio, modelli come l’ Huawei P30 Pro del 2019 offrono una risoluzione della profondità che è addirittura quattro volte superiore rispetto a quella delle fotocamere tradizionali. Questa “risoluzione della profondità”, che può sembrare un concetto tecnico astruso, è in realtà piuttosto intuitiva. Una fotocamera con elevata risoluzione della profondità è in grado di distinguere efficacemente tra oggetti vicini (in primo piano) e quelli più lontani (sfondo).

Nel mondo della fotografia, questa distinzione tra primo piano e sfondo è nota come profondità di campo ed è ciò che conferisce realismo e focus a un’immagine. Gli oggetti vicini appaiono nitidi, con contorni ben definiti, mentre quelli lontani risultano leggermente sfocati.

Con una fotocamera ToF, i fotografi hanno un controllo maggiore sulla profondità di campo, ma non è necessario essere un professionista per apprezzare i vantaggi di questa tecnologia. In combinazione con una fotocamera ToF, le impostazioni automatiche del dispositivo dovrebbero essere in grado di produrre immagini di qualità superiore, con un primo piano e uno sfondo ben delineati. Una fotocamera ToF può anche essere utilizzata per registrare video con una stabilizzazione dell’immagine avanzata oppure per migliorare la precisione dei filtri di Instagram.

Oltre alle applicazioni fotografiche, la fotocamera ToF di un telefono può essere impiegata per il riconoscimento facciale avanzato, per i controlli gestuali e per i videogiochi in realtà aumentata. Ricordate come Pokemon Go utilizza la fotocamera per inserire un Pokemon nell’ambiente circostante? Le fotocamere ToF rendono questa funzione molto più realistica e coinvolgente.

Una tecnologia non così nuova

Sorprendentemente, le fotocamere ToF sono in circolazione dalla fine degli anni ’70. Tuttavia, è stato necessario del tempo affinché la tecnologia diventasse abbastanza accessibile e conveniente per l’utilizzo da parte del grande pubblico.

In passato, le fotocamere ToF venivano impiegate per la mappatura topografica, per l’automazione di macchinari industriali e per l’apertura automatica delle porte. Nel 2014 questa tecnologia è approdata nelle nostre case, anche nella vostra probabilmente. Il Kinect di Xbox One, per esempio, utilizza una fotocamera ToF per riconoscere i volti e tracciare in modo preciso i movimenti delle mani.

Ad aprile 2019, solo un numero ristretto di smartphone è dotato di fotocamere ToF integrate, tra cui l’ LG G8 ThinQ, l’ Honor View 20, l’ Huawei P30 Pro e l’ Oppo RX17 Pro. Questi dispositivi sono rivolti principalmente ad appassionati di fotografia e tecnologia, ma stanno di fatto definendo lo standard per i futuri smartphone, incluse le versioni 2019 e 2020 di Samsung e Apple.

Le fotocamere ToF, dunque, sono una tecnologia molto interessante, la cui esistenza risale quasi al periodo dell’uscita di Star Wars. Ma come funzionano esattamente? E perché sono in grado di offrire una risoluzione della profondità così elevata?

Il segreto delle fotocamere ToF: la tecnologia Lidar

Sapete come i pipistrelli e i delfini utilizzano il suono per “vedere” l’ambiente circostante? Bene, abbiamo “rubato” questa tecnica, l’abbiamo perfezionata nei sottomarini e l’abbiamo chiamata sonar. Le fotocamere ToF si avvalgono di un meccanismo simile per misurare la profondità, che in questo caso prende il nome di lidar e si basa sull’emissione di impulsi di luce infrarossa anziché di onde sonore.

Quando scattiamo una foto con la fotocamera ToF di uno smartphone, viene emesso un impulso di luce IR invisibile che si riflette sugli oggetti circostanti. Una parte di questa luce si disperde, ma la maggior parte ritorna verso il sensore della fotocamera ToF.

Come l’onda sonar emessa da un pipistrello, l’impulso lidar ritorna in frammenti. La luce IR che si riflette sugli oggetti più vicini tornerà rapidamente alla fotocamera ToF, mentre quella riflessa dagli oggetti lontani impiegherà un po’ più di tempo. Il telefono, misurando il tempo impiegato da ciascun raggio di luce per tornare indietro, elabora una mappa di profondità 3D estremamente dettagliata.

È un po’ come quei giocattoli da tavolo in cui si preme il viso. Questi giocattoli creano un “effetto 3D” perché il naso, essendo più vicino alla tavola, produce un’impronta maggiore rispetto agli occhi e alle guance, che si trovano a una distanza maggiore.

Ovviamente, la luce IR restituisce al telefono solo informazioni sulla profondità. Per questo motivo, le fotocamere ToF affiancano la tecnologia IR a una fotocamera tradizionale ad alta risoluzione. Il telefono utilizza un software per combinare l’immagine tradizionale con la mappa di profondità IR 3D, ottenendo così un’immagine con un primo piano e uno sfondo estremamente definiti.

Le potenziali applicazioni future delle fotocamere ToF

Nei prossimi anni, le fotocamere ToF rivoluzioneranno il modo in cui scattiamo foto e registriamo video con i nostri telefoni. Tuttavia, dobbiamo considerare anche le applicazioni di questa tecnologia al di là del campo della fotografia. Stiamo parlando di una tecnologia in grado di creare una mappa di profondità di un ambiente in tempo reale, le cui applicazioni spaziano in diversi settori.

Infatti, la nostra prima esperienza con la fotocamera ToF di uno smartphone non sarà probabilmente legata solo alla fotografia. Il Samsung Galaxy S10 5G è dotato di fotocamere ToF sia nella parte anteriore che posteriore. Apple, come consuetudine, non ha divulgato informazioni sui futuri piani per gli iPhone, ma ci sono indiscrezioni che indicano l’arrivo delle fotocamere ToF già sui modelli del 2019. Certamente, questo aggiornamento migliorerà la qualità dei selfie, ma aumenterà anche la precisione del Face ID e di altre misure di sicurezza. Se abilitiamo il riconoscimento facciale durante la configurazione del telefono, quest’ultimo eseguirà silenziosamente una scansione 3D del nostro viso prima che noi possiamo scattare un qualsiasi selfie.

Un’altra applicazione interessante, anche se forse non indispensabile, delle fotocamere ToF è il controllo gestuale. Anche se il sistema di controllo gestuale di Kinect può suscitare una certa perplessità, nei prossimi anni utilizzeremo tecnologie simili per interagire con il nostro telefono, computer, assistente vocale o smartwatch. Al momento, aziende come In Motion stanno lavorando a diverse applicazioni ToF per computer desktop, mentre altri produttori come Google si servono di sistemi radar e lidar per creare smartwatch e assistenti intelligenti a mani libere con controllo gestuale.

Oltre al controllo gestuale, le fotocamere ToF sono ideali anche per le applicazioni in VR e AR. A un livello base, i filtri di Instagram e giochi come Pokemon Go appariranno molto più realistici se utilizzati con una fotocamera ToF. In ambiti più complessi come la realtà virtuale, le fotocamere ToF possono essere impiegate per registrare i gesti e i passi di un giocatore. Inoltre, possono essere utilizzate per mappare rapidamente ambienti reali e convertirli in mondi virtuali, il che potrebbe velocizzare lo sviluppo di videogiochi professionali o aprire il mercato della realtà virtuale agli sviluppatori di giochi indipendenti.

Ma le fotocamere ToF hanno anche applicazioni pratiche. Come già accennato, in passato sono state utilizzate per l’automazione delle macchine nelle fabbriche. Questa tendenza non cambierà. Man mano che le fotocamere ToF diventeranno più avanzate (e più economiche), troveranno la loro strada in sempre più prodotti AI di livello industriale e consumer. La maggior parte delle auto intelligenti utilizza già una qualche forma di tecnologia lidar per “vedere” l’ambiente circostante (è interessante notare come le auto Tesla non utilizzino il lidar).

Anche se la fotocamera ToF del vostro nuovo cellulare è al momento limitata alle applicazioni fotografiche, di realtà aumentata e di riconoscimento facciale, è comunque consigliabile familiarizzare con questa tecnologia. In futuro, le fotocamere ToF saranno onnipresenti.

Fonte: Mouser