Forskellen mellem flyvetid (ToF) og andre 3D-dybdekortlægningskameraer

Evnen til at fornemme og interagere med 3D-verdenen bliver stadig vigtigere i nutidens teknologiske landskab, og en af de mest lovende er Time-of-Flight (ToF)-teknologi. Dette er en banebrydende 3D-dybdekortlægningsløsning, der vinder popularitet inden for ikke-mobile områder som industriel automatisering og detailhandel. Selvom ToF-konceptet har eksisteret siden 1990'erne sammen med låsende CCD-teknologi, er det først i de sidste par år, at det langsomt er modnet til at imødekomme de strenge krav på det professionelle marked.

I dette indlæg kommer vi til at tage et dybdegående kig på, hvorfor ToF-kameraer bliver mere og mere populære til 3D-dybdekortlægning, og hvordan de adskiller sig fra andre 3D-billedbehandlingsteknologier såsom stereosynsbilleddannelse og struktureret lysbilleddannelse.

Hvad er 3D-dybdekortlægning?

3D dybdekortlægning, kan også kaldes dybdeføling eller 3D kortlægning. Det er en banebrydende teknologi, der skaber en 3D-visningsrepræsentation af et rum eller objekt ved nøjagtigt at måle afstanden mellem sensoren og forskellige punkter i miljøet. Det bryder igennem begrænsningerne ved traditionelle 2D-kameradata og er afgørende for applikationer, der kræver nøjagtig rumlig opfattelse og beslutningstagningsmuligheder i realtid.

I sin kerne er3D-dybdekortlægninginvolverer at projicere en lyskilde på et objekt og derefter bruge et kamera eller en sensor til at fange det reflekterede lys. De indsamlede data analyseres for at bestemme tidsforsinkelsen eller mønsterafvigelsen af det reflekterede lys for at generere et dybdekort. I lægmandssprog er et dybdekort en digital plan, der beskriver den relative afstand mellem hvert sceneelement, og den sensor.3D dybdekortlægning er forskellen mellem et statisk billede og en dynamisk interaktiv verden.

Hvad er stereovisionsteknologi?

Stereosynsteknologi er inspireret af det menneskelige øjes evne til at opfatte dybde gennem binokulært syn. Teknologien bruger konceptet stereoparallakse til at efterligne det menneskelige øjes visuelle system, hvor hvert kamera optager sit synsfelt og derefter bruger disse forskellige billeder til at beregne afstanden mellem objekter i en scene. Stereoparallakse er forskellen i positionen af et objekts billede set af venstre øje og højre øje. Og den proces, hvormed hjernen udtrækker dybdeinformation fra et 2D-nethindebillede gennem kikkertparallakse, kaldes stereopsis.

Stereovision-kameraer bruger netop denne teknologi. De tager to separate billeder fra forskellige synsvinkler (svarende til det menneskelige øje) og korrelerer derefter disse billeder beregningsmæssigt for at bestemme objektafstande. Dybdekort konstrueres ved at genkende de tilsvarende træk i de to billeder og måle den vandrette forskydning eller parallakse mellem disse funktioner. En ting at bemærke er, at jo større parallaksen er, jo tættere er objektet på observatøren.

Hvordan fungerer et stereosynskamera?

Stereovision-kameraer efterligner det menneskelige øjes teknik, som opfatter dybde gennem trianguleringsgeometrien, hvor der er flere nøgleegenskaber at tage højde for:

• Baseline: afstanden mellem de to kameraer, svarende til den menneskelige pupilafstand (~50-75 mm, pupilleafstand).
• Opløsning: proportional med dybden. Sensorer med højere opløsning giver flere pixels til at analysere parallakse, hvilket giver mulighed for mere nøjagtige dybdeberegninger.
• Brændvidde: Brændvidden er proportional med dybdeskarpheden. Påvirker dybdeområdet og synsfeltet, kort brændvidde, bredt synsfelt, men dårlig dybdeopfattelse af nærfeltet;brændviddeer højt, synsfeltet er stort, den mere detaljerede observation af objekter i nærfeltet.

Stereovision-kameraer er særligt velegnede til udendørs applikationer, der kræver et stort synsfelt, såsom automatiske navigationssystemer og 3D-rekonstruktion. Teknologien kræver selvfølgelig, at det optagne billede skal have tilstrækkelig detalje og tekstur eller inhomogenitet. Vi kan også forbedre disse teksturer og detaljer ved at oplyse scenen med struktureret belysning for at forbedre funktionsdetektion og forbedre kvaliteten af dybdekortet.

Hvad er struktureret lysbilleddannelse?

Struktureret lysbilleddannelse er en sofistikeret 3D-dybdekortlægningsmetode, der bruger en lyskilde til at projicere et mønster på en overflade og derefter fanger forvrængningen af dette mønster, når det interagerer med objektets 3D-geometri. Denne teknik giver mulighed for nøjagtig måling af et objekts dimensioner og rekonstruktion af dets 3D-form.

I 3D-billedbehandling bruger strukturerede lyskameraer en lyskilde såsom en laser eller LED til at projicere et mønster (normalt et gitter eller en række striber). Formålet med mønsteret er at forbedre kameraets evne til at genkende og måle ændringer i den overflade, det oplyser. Når mønsteret oplyser overfladen af et objekt, deformeres det i henhold til objektets form og rumlige egenskaber. DenKamera modulkan fange disse forvrængede mønstre i forskellige vinkler i forhold til lyskilden.

Hvordan fungerer et kamera med struktureret lys?

Struktureret lyskamerabilleddannelse involverer flere trin, som kort er opsummeret nedenfor:

• Mønsterprojektion: Et specialdesignet lysmønster projiceres på et objekt, som derefter deformeres for at opnå 3D-kortlægning baseret på objektets konturer.
• Billedoptagelse: Det deforme mønster fanges af kameraet, og ændringerne i mønsteret observeres i en bestemt vinkel. Objektets dybde udledes ved at sammenligne det kendte projicerede lysmønster og lysinteraktionen med objektets 3D-overflade.
• Triangulering: Kameraet bruger det kendte projicerede mønster og det optagne billede til at beregne objektets dybde ved triangulering for at skabe et detaljeret 3D-kort.

Nøjagtigheden og opløsningen af struktureret lysbilleddannelse påvirkes af faktorer som kvaliteten af lyskilden, mønsterets kompleksitet og kameraets evne til at opløse detaljer. Denne teknik er især effektiv i miljøer, hvor belysningen styres, og objektets overfladetræk er tydeligt synlige.

Hvad er time-of-flight imaging?

Time-of-Flight (ToF) billeddannelse er allerede blevet dækket i en særlig artikel. Time-of-Flight (ToF) billeddannelse er en teknologi med høj nøjagtighed og ydeevne i realtid og er den foretrukne løsning til 3D-dybdekortlægning i dag. i hjertet af ToF-teknologien er lyskilden, som måler den tid, det tager for lyssignalet at sprede sig fra kameraet, reflektere fra objektet og vende tilbage til sensoren, så afstanden til objektet kan beregnes med forbløffende nøjagtighed. Interesserede parter kan henvise til den foregående artikel for et dybdegående kig på principperne for ToF-teknologi samt dens fordele og mangler.

Stereosyn vs. struktureret lys vs. Time-of-Flight (ToF) billeddannelse

Når det kommer til 3D-billeddannelse, afhænger valget mellem stereosyn, struktureret lysbilleddannelse og time-of-flight (ToF) teknikker normalt af applikationens specifikke krav. Hver tilgang har sine egne fordele og begrænsninger, som vi vil udforske i detaljer for at hjælpe dig med at forstå, hvorfor ToF-kameraer i stigende grad bliver anerkendt som det foretrukne valg til mange 3D-kortlægningsapplikationer.

Hvorfor er et time-of-flight (ToF) kamera et bedre valg til 3D-kortlægning?

Nøjagtighed er afgørende for 3D-kortlægningsteknologi. Ovenfor har vi lært, hvad 3D-dybdebilleddannelse er, samt information om time-of-flight (ToF), struktureret lys og stereosyn. Lad os kort opsummere, hvorfor time-of-flight (ToF) er bedre egnet til 3D-kortlægning.

• Direkte dybdemåling:ToF-kameraer kan måle dybden direkte, hvilket forenkler databehandlingskravene sammenlignet med stereosyn eller strukturerede lyssystemer, der er afhængige af komplekse algoritmer til at beregne dybde baseret på billedparallakse eller mønsterforvrængning.
• Høj nøjagtighed og udvidelsesmuligheder:Målinger med høj nøjagtighed op til mm til cm kombineret med et dybdeområde, der kan udvides, gør ToF-kameraet velegnet til præcisionsmålinger på forskellige afstande.
• Softwarens kompleksitet:ToF-kameradybdedata genereres direkte fra sensoren, hvilket reducerer behovet for algoritmer. Forbedret databehandlingseffektivitet og hurtigere implementering.
• Bedre ydeevne i svagt lys:Sammenlignet med stereosyn, der er afhængig af en lyskilde, klarer Tof-kameraer sig bedre under dårlige lysforhold på grund af en aktiv og pålidelig lyskilde.
• Kompakt og energieffektivt design:I modsætning til andre sensorer er Tof-kameraer mere kompakte og bruger mindre strøm. Ideel til bærbare eller batteridrevne enheder.
• Databehandling i realtid:Tof-kameraet fanger og behandler dybdedata meget hurtigt, hvilket gør det ideelt til realtidsapplikationer såsom robotteknologi.

Hvilke applikationer har brug for time-of-flight-kameraer?

Autonome mobile robotter (AMR):Tof-kameraet giver afstandsmåling og forhindringsdetektion i realtid, hvilket giver AMR fleksibiliteten til at navigere i komplekse udendørs og indendørs miljøer. Hjælper med ruteplanlægning og kollisionsundgåelse, hvilket forbedrer robottens autonomi og pålidelighed.

Førerløse transportsystemer (AGV'er):I lager- og produktionsmiljøer sikrer AGV'er udstyret med ToF-kameraer pålidelig navigation og nøjagtig materialehåndtering. Dybdedataene fra disse kameraer understøtter avancerede stifindende algoritmer for at optimere logistikken og reducere menneskelig indgriben.

Ansigtsgenkendelsesbaserede anti-spoofing-enheder:ToF-kameraer i udvidede ansigtsgenkendelsessystemer forhindrer uautoriseret adgang gennem ansigtsgenkendelsesspoofing ved at analysere dybdegående data, der kan skelne mellem et rigtigt ansigt og et forsøg på at replikere det (f.eks. en maske eller et foto).

Konklusion

Gennem denne artikel er det tydeligt at se den vigtige rolle, som time-of-flight (ToF) kameraer spiller inden for 3D-billeddannelse. Fordelene ved ToF-kameraer fremhæver også deres potentiale til at revolutionere industrier, der er afhængige af nøjagtige rumlige data.
Mens stereosyn, struktureret lysbilleddannelse og ToF-teknologier hver især har deres egne fordele mellem sig, skiller ToF-kameraer sig ud for deres evne til at levere direkte, nøjagtige og skalerbare dybdemålinger med relativt lav softwarekompleksitet. Dette gør dem ideelle til applikationer, hvor hastighed, nøjagtighed og pålidelighed er afgørende.

Med over ti års brancheerfaring med levering og tilpasningOEM-kameraer, Sinoseen kan give dig de mest specialiserede billedbehandlingsløsninger til dit kameramodul. Uanset om det er MIPI, USB, dvp eller MIPI csi-2 interface, har Sinoseen altid en løsning til din tilfredshed, er du velkommen til at kontakte os, hvis du har brug for noget.