Cámaras TOF 3D: cómo funciona y por qué es tan atractiva la última gran innovación de los smartphones fotográficos

Las cámaras TOF 3D han llegado al mundo de los smartphones decididas a cambiar las reglas del juego. Comenzaron a sonar con mucha fuerza a mediados del año pasado, coincidiendo con el anuncio en el que la marca china Vivo nos anticipó que iba a utilizarlas en algunos de sus próximos teléfonos móviles. Pero su despegue definitivo se está produciendo ahora, en el marco del Mobile World Congress (MWC) que se está celebrando esta semana en Barcelona.

Samsung y LG son dos de las marcas que han apostado por integrar cámaras TOF 3D en algunos de sus smartphones de gama alta, en los Galaxy S10 5G y G8 ThinQ respectivamente, siguiendo los pasos de HONOR, que hace varias semanas lanzó su View20, que también tiene una cámara TOF 3D. Además, Sony, que es uno de los mayores fabricantes de sensores TOF 3D, anunció a principios de enero que iba a incrementar la producción de estos captadores para satisfacer la demanda. ¿Son realmente tan atractivos como nos dicen las marcas? Sí, lo son. Veamos juntos por qué.

Así funciona un sensor TOF 3D

El acrónimo TOF procede de la denominación en inglés Time Of Flight, que significa «tiempo de vuelo». A bote pronto parece un nombre bastante raro para una cámara, pero no lo es en absoluto si nos fijamos en su esquema de funcionamiento, en el que vamos a indagar a continuación. No obstante, antes de hacerlo nos viene bien saber que esta tecnología, si somos rigurosos, no es nueva. Comenzó a utilizarse en aplicaciones comerciales a principios de la década pasada, pero antes ya se usaba en aplicaciones industriales y en entornos de investigación.

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Lo curioso es que muchos de nosotros tenemos desde hace años una cámara TOF 3D en casa sin saberlo. Y es que Kinect, el sensor de movimiento que Microsoft ha integrado, con poco éxito, en Xbox 360 y Xbox One, incorpora una de estas cámaras. De hecho, es el componente que hace posible esa detección de movimiento y ese reconocimiento de objetos tan precisos. En la siguiente sección del artículo veremos que estas cualidades son, precisamente, las que hacen apetecible la integración de estas cámaras en los smartphones. Y no solo son atractivas para hacer fotos. Pero todo esto lo veremos más adelante. Ahora nos viene bien saber cómo funcionan.

Las cámaras TOF 3D funcionan de una manera muy parecida al sónar de un submarino o un radar. Se utilizan para medir con precisión la distancia a la que se encuentra un objeto proyectando hacia él un haz de luz infrarroja. Cuando la luz incide sobre la superficie del objeto una parte de ella se refleja en sentido contrario al que se ha propagado inicialmente y regresa hacia la cámara. Lo único que tiene que hacer ahora esta última es calcular el tiempo que ha transcurrido desde que emitió el pulso de luz hasta que lo recibe, una vez que este se ha reflejado en el objeto. La velocidad a la que se propaga el haz de luz infrarroja es perfectamente conocida porque es la misma a la que se propaga la luz visible en el mismo medio (la luz en el vacío se propaga a unos 300.000 km/s, y en el aire un poco más despacio).

Las cámaras TOF 3D incorporan un emisor de luz infrarroja, un grupo óptico similar al de las cámaras convencionales y un sensor CCD

Como la cámara conoce el tiempo que tarda la luz infrarroja en llegar al objeto y volver, y también conoce la velocidad a la que se desplaza, puede calcular la distancia a la que se encuentra el objeto con precisión. Para que este esquema de funcionamiento sea posible las cámaras TOF 3D incorporan un sensor CCD y un objetivo similar al de cualquier otra cámara. El sensor es una matriz de píxeles parecida a la de cualquier otro captador de tipo CCD, pero cada una de estas diminutas celdillas es capaz de recoger la amplitud, la intensidad y la fase del haz de luz infrarroja que incide sobre su superficie.

No es necesario que sepamos cómo funciona internamente cada uno de estos fotorreceptores, pero sí es importante que tengamos en cuenta que todos ellos, que, como hemos visto, están dispuestos en forma de matriz, trabajan al unísono para identificar la distancia a la que están un conjunto de puntos del objeto que ha reflejado la luz. Y la posición de cada uno de esos puntos, una vez identificada, puede ser utilizada para recrear un mapa de rangos de profundidad que, si se procesa correctamente, puede permitirnos reconstruir una imagen tridimensional en la que, por tanto, los objetos tienen volumen.

Esta es la técnica que usan las cámaras TOF 3D utilizadas tanto en Kinect como en los smartphones que están comenzando a llegar al mercado. Ahora que sabemos cómo funcionan podemos intuir sin ningún esfuerzo que el acrónimo TOF (tiempo de vuelo) refleja el tiempo que transcurre desde que el haz de luz infrarroja es emitido hasta que es recogido por los fotorreceptores del sensor CCD. Un último apunte curioso es que la luz infrarroja se modula con una frecuencia de 20 MHz para evitar que pueda ser confundida por el sensor con la luz de fondo. Además, es necesario conocer la frecuencia del pulso para poder calcular la distancia del objeto con precisión mediante una técnica conocida como cambio de fase.

Las cámaras TOF 3D son una baza importante para los smartphones fotográficos

Ya sabemos qué es una cámara TOF 3D y cómo funciona, por lo que nuestro siguiente paso consiste en identificar qué aportan a las demás cámaras instaladas en nuestros teléfonos móviles. Como hemos visto, la información que recoge el sensor de la cámara TOF 3D puede ser utilizada para reconstruir una escena tridimensional, y esta capacidad tiene una aplicación muy interesante si nos ceñimos a su uso en el mundo de la fotografía: nos permite obtener información de profundidad muy precisa acerca de la escena que estamos fotografiando.

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Estos datos de profundidad resultan cruciales a la hora de experimentar con la profundidad de campo y el desenfoque de fondo, y si son correctamente procesados deberían permitir al teléfono móvil arrojar resultados muy convincentes en los escenarios de disparo en los que estos dos parámetros se utilizan como una herramienta creativa para fijar la atención de la persona que mira la fotografía.

Utilizando la información de profundidad recogida por el sensor TOF 3D podemos recrear una escena tridimensional

Una característica de las cámaras TOF 3D que les permite aventajar a otras cámaras de medición de la profundidad consiste en que consiguen capturar toda la información en un único disparo y sin necesidad de enfocar varios planos. Y esto, como podemos intuir, tiene un impacto beneficioso en el tiempo que es necesario invertir en este proceso porque lo reduce. En definitiva, nos ofrecen más información de profundidad y con más rapidez, siempre que, eso sí, el procesador que se encarga de interpretar los datos recogidos por el sensor TOF 3D sea lo suficientemente veloz.

La información que recoge el sensor TOF 3D no es útil únicamente para recuperar datos de profundidad; también puede utilizarse para asistir al enfoque. De hecho, resulta especialmente útil para implementar el enfoque mediante seguimiento de los objetos en movimiento, un escenario de uso que a algunos smartphones se les atraganta. Incluso resulta útil cuando grabamos vídeo por la misma razón: consigue identificar con precisión el objeto que estamos grabando aunque esté desplazándose con rapidez, y mantenerlo enfocado y nítidamente separado del fondo.

Para que la cámara TOF 3D rinda al máximo es necesario que trabaje codo con codo con un procesador que sea capaz de asumir el torrente de datos que el sensor es capaz de recoger y procesarlos con mucha rapidez. De lo contrario, algunas de las prestaciones del smartphone se resentirán, sobre todo aquellas que requieren continuidad en tiempo real, como el seguimiento continuo de los objetos en movimiento del que acabamos de hablar.

El único inconveniente que tienen las cámaras TOF 3D, y es una pega cogida «con pinzas», es que ocupan tanto espacio como una cámara convencional. Tienen su propia óptica, su emisor de luz infrarroja y su propio sensor CCD. Pero, sin duda, merecen la pena por lo mucho que aportan. Incluso a sabiendas de que en el interior de los teléfonos móviles actuales no sobra el espacio.

De hecho, estoy convencido de que la configuración que propone el nuevo Galaxy S10 5G de Samsung, que tiene dos cámaras frontales (una de ellas TOF 3D) y cuatro cámaras traseras (una también es TOF 3D), será relativamente frecuente a corto plazo debido a lo útil que resulta colocar una cámara TOF 3D en el frontal del móvil y otra más junto a las cámaras traseras.

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También pueden usarse para optimizar el reconocimiento facial

Las aplicaciones de las cámaras TOF 3D van más allá de la fotografía. Su capacidad de recoger información acerca de la posición de los objetos que tienen delante puede ser utilizada, como hemos visto, para recrear una escena tridimensional. Y una vez que hemos conseguido reconstruir una imagen con volumen podemos utilizarla, por ejemplo, para compararla con un patrón dado. Esta capacidad permite usar las cámaras TOF 3D para implementar el reconocimiento facial con el que cuentan muchos de los terminales que han llegado al mercado durante los últimos meses.

Aún no hemos descubierto todo el potencial de las cámaras TOF 3D, por lo que en el futuro llegarán nuevas aplicaciones

Buena parte de los smartphones actuales resuelve el reconocimiento facial utilizando infrarrojos, pero de una forma menos sofisticada que la estrategia propuesta por las cámaras TOF. Otros, en cambio, recurren a una cámara tradicional y algoritmos de análisis de imagen mediante inteligencia artificial que permiten comparar la imagen capturada por la cámara en tiempo real con un patrón previamente memorizado, que es el que describe con precisión nuestro rostro.

Sin embargo, las cámaras TOF 3D permiten llevar a cabo el reconocimiento facial con más precisión y en menos tiempo. El sensor TOF del que nos ha hablado Vivo es capaz de leer hasta 300.000 puntos de nuestro rostro de un solo disparo, lo que nos permite hacernos una idea bastante certera de la precisión con la que debería ser capaz de recrearlo. Aunque todo lo que hemos visto acerca de las cámaras TOF 3D pinta realmente bien, lo más prometedor es que todavía no conocemos su auténtico potencial.

Es probable que a medida que los fabricantes de smartphones vayan integrándolas en sus móviles y puliendo los algoritmos que se encargan de interpretar los datos que recoge el sensor TOF, vayan proponiéndonos nuevas aplicaciones. Para abrir boca, aquí tenéis una de ellas: el nuevo G8 ThinQ de LG utiliza su cámara TOF 3D frontal para implementar la función ‘Air Motion’, que nos permite desbloquear el terminal mostrando a la cámara nuestra mano (el sensor TOF identifica el patrón de nuestras venas), y también nos ayuda a controlar la interfaz mediante gestos a distancia. No hace falta tocar la pantalla. Pero todo esto, sin duda, es solo el principio.