Der Unterschied zwischen Time-of-Flight (ToF) und anderen 3D-Tiefenkartierungskameras

Die Fähigkeit, die 3D-Welt zu erfassen und mit ihr zu interagieren, wird in der heutigen Technologielandschaft immer wichtiger, und eine der vielversprechendsten ist die Time-of-Flight-Technologie (ToF). Dabei handelt es sich um eine bahnbrechende 3D-Tiefenkartierungslösung, die in nicht-mobilen Bereichen wie der industriellen Automatisierung und dem Einzelhandel immer beliebter wird. Obwohl es das ToF-Konzept zusammen mit der Verriegelungs-CCD-Technologie bereits seit den 1990er Jahren gibt, ist es erst in den letzten Jahren langsam gereift, um den hohen Anforderungen des professionellen Marktes gerecht zu werden.

In diesem Beitrag werfen wir einen detaillierten Blick darauf, warum ToF-Kameras für das 3D-Tiefenmapping immer beliebter werden und wie sie sich von anderen 3D-Bildgebungstechnologien wie Stereo-Vision-Bildgebung und Bildgebung mit strukturiertem Licht unterscheiden.

Was ist 3D-Tiefenkartierung?

3D-Tiefenkartierung, kann auch als Tiefenerkennung oder 3D-Kartierung bezeichnet werden. Es handelt sich um eine hochmoderne Technologie, die eine 3D-Ansichtsdarstellung eines Raums oder Objekts erstellt, indem der Abstand zwischen dem Sensor und verschiedenen Punkten in der Umgebung genau gemessen wird. Es durchbricht die Grenzen herkömmlicher 2D-Kameradaten und ist entscheidend für Anwendungen, die eine genaue räumliche Wahrnehmung und Entscheidungsfindung in Echtzeit erfordern.

Im Kern ist3D-TiefenkartierungDabei wird eine Lichtquelle auf ein Objekt projiziert und dann eine Kamera oder ein Sensor verwendet, um das reflektierte Licht einzufangen. Die erfassten Daten werden analysiert, um die Zeitverzögerung oder Musterabweichung des reflektierten Lichts zu bestimmen und eine Tiefenkarte zu erstellen. Laienhaft ausgedrückt ist eine Tiefenkarte eine digitale Blaupause, die den relativen Abstand zwischen den einzelnen Szenenelementen beschreibt, und die sensor.3D Tiefenkartierung ist der Unterschied zwischen einem statischen Bild und einer dynamischen interaktiven Welt.

Was ist Stereo-Vision-Technologie?

Die Stereo-Vision-Technologie ist von der Fähigkeit des menschlichen Auges inspiriert, Tiefe durch binokulares Sehen wahrzunehmen. Die Technologie nutzt das Konzept der Stereoparallaxe, um das visuelle System des menschlichen Auges nachzuahmen, bei dem jede Kamera ihr Sichtfeld aufzeichnet und dann diese verschiedenen Bilder verwendet, um die Entfernungen von Objekten in einer Szene zu berechnen. Die Stereoparallaxe ist die Differenz in der Position des Bildes eines Objekts, die vom linken und dem rechten Auge gesehen wird. Und der Prozess, bei dem das Gehirn Tiefeninformationen aus einem 2D-Netzhautbild durch binokulare Parallaxe extrahiert, wird als Stereopsie bezeichnet.

Stereo-Vision-Kameras nutzen genau diese Technologie. Sie nehmen zwei separate Bilder aus unterschiedlichen Blickwinkeln auf (ähnlich dem menschlichen Auge) und korrelieren diese Bilder dann rechnerisch, um Objektentfernungen zu bestimmen. Tiefenkarten werden erstellt, indem die entsprechenden Merkmale in den beiden Bildern erkannt und die horizontale Verschiebung oder Parallaxe zwischen diesen Merkmalen gemessen wird. Zu beachten ist, dass das Objekt umso näher am Beobachter ist, je größer die Parallaxe ist.

Wie funktioniert eine Stereokamera?

Stereo-Vision-Kameras ahmen die Technik des menschlichen Auges nach, das Tiefe durch die Geometrie der Triangulation wahrnimmt, wobei mehrere Schlüsselattribute zu berücksichtigen sind:

• Ausgangswert: der Abstand zwischen den beiden Kameras, ähnlich dem menschlichen Pupillenabstand (~50-75 mm, Pupillenabstand).
• Auflösung: proportional zur Tiefe. Sensoren mit höherer Auflösung liefern mehr Pixel für die Analyse der Parallaxe, was genauere Tiefenberechnungen ermöglicht.
• Brennweite: Die Brennweite ist proportional zur Schärfentiefe. Beeinflussen Sie den Tiefenbereich und das Sichtfeld, die kurze Brennweite, das weite Sichtfeld, aber die Tiefenwahrnehmung des Nahfelds;Brennweitehoch ist, ist das Gesichtsfeld groß, desto detaillierter ist die Betrachtung von Objekten im Nahfeld.

Stereo-Vision-Kameras eignen sich besonders für Outdoor-Anwendungen, die ein großes Sichtfeld erfordern, wie z. B. automatische Navigationssysteme und 3D-Rekonstruktionen. Natürlich verlangt die Technologie, dass das aufgenommene Bild ausreichend detailliert und texturiert oder inhomogen ist. Wir können diese Texturen und Details auch verbessern, indem wir die Szene mit strukturierter Beleuchtung beleuchten, um die Merkmalserkennung zu verbessern und die Qualität der Tiefenkarte zu verbessern.

Was ist Bildgebung mit strukturiertem Licht?

Die Bildgebung mit strukturiertem Licht ist eine ausgeklügelte 3D-Tiefenkartierungsmethode, bei der eine Lichtquelle verwendet wird, um ein Muster auf eine Oberfläche zu projizieren und dann die Verzerrung dieses Musters zu erfassen, während es mit der 3D-Geometrie des Objekts interagiert. Diese Technik ermöglicht die genaue Vermessung der Abmessungen eines Objekts und die Rekonstruktion seiner 3D-Form.

In der 3D-Bildgebung verwenden Kameras mit strukturiertem Licht eine Lichtquelle wie einen Laser oder eine LED, um ein Muster zu projizieren (in der Regel ein Gitter oder eine Reihe von Streifen). Der Zweck des Musters besteht darin, die Fähigkeit der Kamera zu verbessern, Veränderungen in der von ihr beleuchteten Oberfläche zu erkennen und zu messen. Wenn das Muster die Oberfläche eines Objekts beleuchtet, verformt es sich entsprechend der Form und den räumlichen Eigenschaften des Objekts. DasKamera-Modulkann diese verzerrten Muster in verschiedenen Winkeln zur Lichtquelle erfassen.

Wie funktioniert eine Kamera mit strukturiertem Licht?

Die Bildgebung von Kameras mit strukturiertem Licht umfasst mehrere Schritte, die im Folgenden kurz zusammengefasst werden:

• Musterprojektion: Ein speziell entworfenes Lichtmuster wird auf ein Objekt projiziert, das dann verformt wird, um ein 3D-Mapping basierend auf den Konturen des Objekts zu erhalten.
• Bildaufnahme: Das verformte Muster wird von der Kamera erfasst und die Veränderungen im Muster werden in einem bestimmten Winkel beobachtet. Die Tiefe des Objekts wird durch den Vergleich des bekannten projizierten Lichtmusters und der Lichtwechselwirkung mit der 3D-Oberfläche des Objekts abgeleitet.
• Triangulation: Die Kamera verwendet das bekannte projizierte Muster und das aufgenommene Bild, um die Tiefe des Objekts durch Triangulation zu berechnen und so eine detaillierte 3D-Karte zu erstellen.

Die Genauigkeit und Auflösung der Bildgebung mit strukturiertem Licht wird von Faktoren wie der Qualität der Lichtquelle, der Komplexität des Musters und der Fähigkeit der Kamera, Details aufzulösen, beeinflusst. Diese Technik ist besonders effektiv in Umgebungen, in denen die Beleuchtung gesteuert wird und die Oberflächenmerkmale des Objekts deutlich sichtbar sind.

Was ist Time-of-Flight-Imaging?

Die Time-of-Flight-Bildgebung (ToF) wurde bereits in einem speziellen Artikel behandelt. Time-of-Flight (ToF)-Bildgebung ist eine Technologie mit hoher Genauigkeit und Echtzeitleistung und ist heute die bevorzugte Lösung für die 3D-Tiefenkartierung. Das Herzstück der ToF-Technologie ist die Lichtquelle, die die Zeit misst, die das Lichtsignal benötigt, um sich von der Kamera auszubreiten, vom Objekt reflektiert zu werden und zum Sensor zurückzukehren, wodurch die Entfernung zum Objekt mit erstaunlicher Genauigkeit berechnet werden kann. Interessierte können sich im vorherigen Artikel über die Prinzipien der ToF-Technologie sowie deren Vor- und Nachteile informieren.

Stereo Vision vs. strukturiertes Licht vs. Time-of-Flight (ToF) Bildgebung

Wenn es um 3D-Bildgebung geht, hängt die Wahl zwischen Stereo-Vision, strukturierter Lichtbildgebung und Time-of-Flight-Techniken (ToF) in der Regel von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab. Jeder Ansatz hat seine eigenen Vorteile und Einschränkungen, die wir im Detail untersuchen werden, um Ihnen zu helfen, zu verstehen, warum ToF-Kameras zunehmend als bevorzugte Wahl für viele 3D-Mapping-Anwendungen anerkannt werden.

Warum ist eine Time-of-Flight-Kamera (ToF) die bessere Wahl für das 3D-Mapping?

Genauigkeit ist bei der 3D-Kartierungstechnologie von entscheidender Bedeutung. Oben haben wir gelernt, was 3D-Tiefenbildgebung ist, sowie Informationen über Time-of-Flight (ToF), strukturiertes Licht und Stereosehen. Fassen wir kurz zusammen, warum Time-of-Flight (ToF) besser für das 3D-Mapping geeignet ist.

• Direkte Tiefenmessung:ToF-Kameras können die Tiefe direkt messen, was die Anforderungen an die Datenverarbeitung im Vergleich zu Stereo- oder Streifenlichtsystemen vereinfacht, die auf komplexen Algorithmen basieren, um die Tiefe auf der Grundlage von Bildparallaxe oder Musterverzerrung zu berechnen.
• Hohe Genauigkeit und Erweiterbarkeit:Durch ihre hohe Messgenauigkeit von mm bis cm, kombiniert mit einem erweiterbaren Tiefenbereich, eignet sich die ToF-Kamera gut für Präzisionsmessungen in verschiedenen Entfernungen.
• Komplexität der Software:Die Tiefendaten der ToF-Kamera werden direkt vom Sensor generiert, wodurch der Bedarf an Algorithmen reduziert wird. Verbesserte Effizienz der Datenverarbeitung und schnellere Implementierung.
• Bessere Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen:Im Vergleich zu Stereovision, die auf einer Lichtquelle beruht, schneiden Tof-Kameras bei schlechten Lichtverhältnissen aufgrund einer aktiven und zuverlässigen Lichtquelle besser ab.
• Kompakte und energieeffiziente Bauweise:Im Gegensatz zu anderen Sensoren sind Tof-Kameras kompakter und verbrauchen weniger Strom. Ideal für tragbare oder batteriebetriebene Geräte.
• Datenverarbeitung in Echtzeit:Die Tof-Kamera erfasst und verarbeitet Tiefendaten sehr schnell und ist damit ideal für Echtzeitanwendungen wie die Robotik.

Für welche Anwendungen werden Time-of-Flight-Kameras benötigt?

Autonome mobile Roboter (AMR):Die Tof-Kamera bietet Echtzeit-Entfernungsmessung und Hinderniserkennung und gibt AMR die Flexibilität, in komplexen Außen- und Innenumgebungen zu navigieren. Hilft bei der Bahnplanung und Kollisionsvermeidung und verbessert die Autonomie und Zuverlässigkeit des Roboters.

Fahrerlose Transportsysteme (FTS):In Lager- und Fertigungsumgebungen sorgen AGVs, die mit ToF-Kameras ausgestattet sind, für eine zuverlässige Navigation und einen präzisen Materialumschlag. Die von diesen Kameras gelieferten Tiefendaten unterstützen fortschrittliche Wegfindungsalgorithmen, um die Logistik zu optimieren und menschliche Eingriffe zu reduzieren.

Auf Gesichtserkennung basierende Anti-Spoofing-Geräte:ToF-Kameras in erweiterten Gesichtserkennungssystemen verhindern unbefugten Zugriff durch Gesichtserkennungs-Spoofing, indem sie detaillierte Daten analysieren, die zwischen einem echten Gesicht und dem Versuch, es zu replizieren (z. B. eine Maske oder ein Foto), unterscheiden können.

Schlussfolgerung

Durch diesen Artikel wird deutlich, welche wichtige Rolle Time-of-Flight (ToF)-Kameras im Bereich der 3D-Bildgebung spielen. Die Vorteile von ToF-Kameras unterstreichen auch ihr Potenzial, Branchen zu revolutionieren, die auf genaue räumliche Daten angewiesen sind.
Während Stereo-Vision-, Bildgebungs- und ToF-Technologien jeweils ihre eigenen Vorzüge haben, zeichnen sich ToF-Kameras durch ihre Fähigkeit aus, direkte, genaue und skalierbare Tiefenmessungen mit relativ geringer Softwarekomplexität zu liefern. Damit sind sie ideal für Anwendungen, bei denen Geschwindigkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit entscheidend sind.

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