מה מצלמת עומק מחזירה
מצלמת עומק (Depth Camera) היא חיישן שמחזיר בכל פיקסל את המרחק לנקודה בסצנה ולא רק את צבעה. בספרות המקצועית משפחת השיטות נקראת הדמיית-טווח: אוסף טכניקות שמייצרות תמונה דו-ממדית המראה את המרחק לנקודות בסצנה מנקודה מסוימת, שהיא בדרך-כלל מיקומו של החיישן. בתמונת-הטווח שמתקבלת ערכי הפיקסלים מתאימים למרחק, וכשהחיישן מכויל כראוי אפשר לקרוא אותם ישירות ביחידות פיזיות, למשל מטרים.
החיישן עצמו נקרא מצלמת-טווח או מצלמת עומק, ותחת השם האחד הזה מסתתרות כמה טכנולוגיות שונות לגמרי שמגיעות לאותה תוצאה. ההבדל ביניהן אינו אקדמי: הוא קובע אם החיישן עובד באור יום, כמה הוא עולה, ומה בדיוק ישבש אותו.
טריאנגולציה סטריאוסקופית: פסיבית, ובעיית ההתאמה
השיטה הראשונה היא טריאנגולציה סטריאוסקופית — יישום של צילום-מדידה סטריאוסקופי, שבו נתוני העומק של הפיקסלים נקבעים ממערך של שתי מצלמות או יותר. כדי לפתור את מדידת העומק צריך קודם למצוא נקודות מתאימות בתמונות השונות, וזו בדיוק בעיית-ההתאמה — אחת הבעיות המרכזיות בטכניקה. קשה במיוחד לפתור אותה לנקודות שבתוך אזורים בעלי עוצמה או צבע אחידים, ולכן שיטה זו מספקת בדרך-כלל אומדני-עומק אמינים רק לתת-קבוצה מכלל הנקודות הנראות במצלמות. היתרון שמאזן זאת: המדידה פסיבית פחות או יותר, ואינה דורשת תנאי-תאורה מיוחדים. שאר השיטות אינן צריכות לפתור את בעיית-ההתאמה כלל, אבל הן תלויות בתנאי-תאורה שהן עצמן יוצרות.
אור מובנה וזמן-מעוף: שתי שיטות אקטיביות
באור מובנה מוארת הסצנה בדגם-אור שתוכנן במיוחד — קווים אופקיים ואנכיים, נקודות או דגם לוח-שחמט — ואז אפשר לקבוע עומק מתמונה יחידה בלבד של האור המוחזר.
זמן-מעוף עובד אחרת לגמרי: מודדים את זמן ההלוך-ושוב של אות-אור מלאכותי, מלייזר או מנורית LED, ומתקבלת תמונה שדומה לתמונת מכ"ם — אלא שבמקום פולס גלי-רדיו משמש פולס אור. ההבדל מלידאר הוא העיקר: מצלמת זמן-מעוף היא חסרת-סורק, כלומר כל הסצנה נקלטת בפולס אור יחיד ולא נקודה-אחר-נקודה בקרן לייזר מסתובבת, ולכן, בניגוד למערכות סריקת-לייזר, אין לה צורך בחלקים נעים. מוצרים אזרחיים ראשונים מסוג זה הופיעו סביב שנת 2000, כשתהליכי המוליכים-למחצה איפשרו לייצר רכיבים מהירים מספיק, והם מכסים טווחים של סנטימטרים בודדים ועד כמה קילומטרים.
מה זמן-מעוף עושה טוב, ואיפה הוא נכשל
היתרונות מתועדים בפירוט. פשטות: המערכת כולה קומפקטית מאוד, שכן יחידת התאורה ממוקמת ממש ליד העדשה, ואילו ראייה סטריאוסקופית ומערכות טריאנגולציה דורשות בסיס-מדידה מינימלי בין שתי נקודות-מבט. חילוץ יעיל: הפקת המרחק מאותות החיישן היא תהליך ישיר שצורך מעט כוח-עיבוד, והדיוק מוערך בדרך-כלל באחוז אחד מהמרחק הנמדד. מהירות: המדידה נעשית בסצנה שלמה בצילום יחיד, בקצב שמגיע עד 160 פריימים בשנייה.
החסרונות ממשיים באותה מידה. אור-רקע: יחידות התאורה מספקות כוואט אחד, ואילו השמש מספקת כ-1,050 ואט למטר רבוע — כ-50 ואט אחרי המסנן האופטי — כך שבסצנה בגודל מטר רבוע אור השמש חזק פי 50 מהאות המאופנן. נוספות לכך הפרעה בין כמה מצלמות זמן-מעוף שפועלות בו-זמנית, והחזרות מרובות שמנפחות את המרחק הנמדד.
פרשת ה-Kinect: הרגע שבו חישת-עומק הפכה זולה
ה-Kinect של מיקרוסופט יצא ב-4 בנובמבר 2010 כאביזר-בקרה ל-Xbox 360, ולפי הערכות מכר שמונה מיליון יחידות בששים הימים הראשונים. הדור הראשון שלו השתמש באור מובנה: דגם אינפרא-אדום שהוקרן על החלל שלפני המכשיר, וחיישן שקלט את הדגם המוחזר; הדגם מתעוות לפי העומק היחסי של העצמים, ומכאן מחושב העומק. בעוד טכנולוגיות אור-מובנה אחרות השתמשו בכמה דגמים, ה-Kinect הסתפק באחד כדי להגיע לקצב של 30 פריימים בשנייה. הדור השני, שיצא ב-22 בנובמבר 2013, עבר למצלמת זמן-מעוף רחבת-זווית.
מה שקרה סביב המכשיר חשוב לא פחות ממנו. סביב נובמבר 2010 פרצו חובבים ומהנדסים אל תוכו ומצאו כיצד להפעילו מול Windows ו-OS X דרך USB, וב-10 בנובמבר הוכרז אקטור מרטין כזוכה בתחרות של Adafruit על מנהל-התקן ללינוקס שאיפשר גישה גם למצלמת ה-RGB וגם לחישת-העומק. באותו חודש השיקו PrimeSense, חברת הרובוטיקה Willow Garage ומפתחת המשחקים Side-Kick את OpenNI — קבוצה ללא מטרות רווח לפיתוח מנהלי-התקן ניידים ל-Kinect ולהתקני-ממשק-טבעי אחרים.
מה זה שינה ברובוטיקה, ואיפה הגבול מול לידאר
מ-2011 בערך ואילך שימש ה-Kinect באקדמיה וביישומים אחרים, מפני שהיה זול ועמיד יותר מטכנולוגיות חישת-עומק אחרות של אותה תקופה. היכולת שלו, יחד עם מחירו הנמוך של כ-150 דולר, נראו כדרך זולה להוסיף חישת-עומק ליישומים קיימים. ברובוטיקה, לפי אותו מקור, חישת-העומק שלו אפשרה לרובוטים לקבוע את צורתם של מכשולים ואת המרחק המשוער אליהם, ולתמרן סביבם.
מצלמת עומק ולידאר אינם בדיוק שני דברים נפרדים: מצלמת זמן-מעוף מבוססת-לייזר נחשבת בעצמה לחלק ממחלקה רחבה יותר של לידאר חסר-סורק, וההבדל הוא באופן הסריקה. אותו הבדל הוא גם מקור לחולשה — הארת סצנה שלמה היא מה שפותח את הדלת להחזרות מרובות, בעוד מערכת סריקה מאירה נקודה יחידה בכל רגע. לצד שלוש המשפחות העיקריות קיימות גם אינטרפרומטריה וצמצם מקודד — טכנולוגיה שמסיקה עומק ממידת הטשטוש שיוצר דגם-חורים בצמצם, ושימשה ב-iPhone X. יחידת מצלמות-העומק של אינטל, RealSense, יצאה לעצמאות ב-2025 עם מרכז פיתוח בחיפה, ובספטמבר 2026 חתמה Cognex על הסכם לרכוש אותה; לפי החברה, המצלמות שלה משמשות רובוטים ניידים, רובוטים הולכים על ארבע ורובוטים דמויי-אדם.