Der Unterschied zwischen Flugzeit und anderen 3D-Tiefenkartenkameras

Die Fähigkeit, die 3D-Welt zu erkennen und mit ihr zu interagieren, wird in der heutigen Technologielandschaft immer wichtiger, und eine der vielversprechendsten Technologien ist die Time-of-Flight (ToF) Technologie. Dies ist eine bahnbrechende 3D-Tiefenmesslösung, die in nicht-mobilen Bereichen wie der industriellen Automatisierung und dem Einzelhandel an Beliebtheit gewinnt. Obwohl das ToF-Konzept seit den 1990er Jahren zusammen mit der Locking-CCD-Technologie existiert, hat es sich erst in den letzten Jahren langsam weiterentwickelt, um die strengen Anforderungen des professionellen Marktes zu erfüllen.

In diesem Beitrag werden wir uns eingehend damit befassen, warum ToF-Kameras immer beliebter für die 3D-Tiefenmessung werden und wie sie sich von anderen 3D-Bildgebungstechnologien wie der Stereo-Vision-Bildgebung und der strukturierten Lichtbildgebung unterscheiden.

Was ist 3D-Tiefenmessung?

3D-Tiefenabbildung, kann auch als Tiefensensierung oder 3D-Abbildung bezeichnet werden. Es ist eine hochmoderne Technologie, die eine 3D-Darstellung eines Raums oder Objekts erstellt, indem sie die Entfernung zwischen dem Sensor und verschiedenen Punkten in der Umgebung genau misst. Sie überwindet die Einschränkungen traditioneller 2D-Kameradaten und ist entscheidend für Anwendungen, die eine genaue räumliche Wahrnehmung und Echtzeit-Entscheidungsfähigkeiten erfordern.

in seinem Kern,3D-Tiefenabbildungbesteht darin, eine Lichtquelle auf ein Objekt zu projizieren und dann eine Kamera oder einen Sensor zu verwenden, um das reflektierte Licht einzufangen. Die erfassten Daten werden analysiert, um die Zeitverzögerung oder das Musterabweichung des reflektierten Lichts zu bestimmen, um eine Tiefenkarte zu erstellen. Einfach ausgedrückt ist eine Tiefenkarte ein digitales Blaupause, die die relative Entfernung zwischen jedem Szenelement und dem Sensor beschreibt. 3D-Tiefenabbildung ist der Unterschied zwischen einem statischen Bild und einer dynamischen interaktiven Welt.

Was ist Stereo-Vision-Technologie?

Stereo-Vision-Technologie ist inspiriert von der Fähigkeit des menschlichen Auges, Tiefe durch binokulare Sicht wahrzunehmen. Die Technologie nutzt das Konzept der Stereo-Parallaxe, um das visuelle System des menschlichen Auges nachzuahmen, wobei jede Kamera ihr Sichtfeld aufnimmt und dann diese unterschiedlichen Bilder verwendet, um die Entfernungen von Objekten in einer Szene zu berechnen. Stereo-Parallaxe ist der Unterschied in der Position des Bildes eines Objekts, das vom linken Auge und vom rechten Auge gesehen wird. Und der Prozess, durch den das Gehirn Tiefeninformationen aus einem 2D-Netzhautbild durch binokulare Parallaxe extrahiert, wird Stereopsis genannt.

Stereovisionskameras verwenden genau diese Technologie. Sie erfassen zwei separate Bilder aus unterschiedlichen Blickwinkeln (ähnlich dem menschlichen Auge) und korrelieren diese Bilder dann rechnerisch, um die 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. Eine Sache, die zu beachten ist, ist, dass je größer die Parallaxe, desto näher ist das Objekt am Beobachter.

Wie funktioniert eine Stereovisionskamera?

Stereovisionskameras ahmen die Technik des menschlichen Auges nach, das Tiefe durch die Geometrie der Triangulation wahrnimmt, wobei es mehrere wichtige Attribute zu berücksichtigen gibt:

• Basislinie: der Abstand zwischen den beiden Kameras, ähnlich dem Abstand der menschlichen Pupillen (~50-75 mm, Pupillendistanz).
• Auflösung: proportional zur Tiefe. Höhere Auflösungs-Sensoren bieten mehr Pixel zur Analyse der Parallaxe, was genauere Tiefenberechnungen ermöglicht.
• Brennweite: Die Brennweite ist proportional zur Schärfentiefe. Beeinflusst den Tiefenbereich und das Sichtfeld, kurze Brennweite, weites Sichtfeld, aber schlechte Tiefenwahrnehmung im Nahbereich;Brennweiteist hoch, das Sichtfeld ist groß, die detailliertere Beobachtung von Objekten im Nahbereich.

Stereovisionskameras sind besonders geeignet für Anwendungen im Freien, die ein großes Sichtfeld erfordern, wie automatische Navigationssysteme und 3D-Rekonstruktion. Natürlich erfordert die Technologie, dass das erfasste Bild genügend Details und Texturen oder Inhomogenität aufweist. Wir können auch diese Texturen und Details verbessern, indem wir die Szene mit strukturiertem Licht beleuchten, um die Merkmalsdetektion zu verbessern und die Qualität der Tiefenkarte zu erhöhen.

Was ist strukturiertes Lichtbildgebung?

Strukturierte Lichtbildgebung ist eine ausgeklügelte 3D-Tiefenmessmethode, die eine Lichtquelle nutzt, 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 eine genaue Messung der Abmessungen eines Objekts und die Rekonstruktion seiner 3D-Form.

Bei der 3D-Bildgebung verwenden strukturierte Lichtkameras eine Lichtquelle wie einen Laser oder eine LED, um ein Muster (normalerweise ein Gitter oder eine Reihe von Streifen) zu projizieren. Der Zweck des Musters besteht darin, die Fähigkeit der Kamera zu verbessern, Veränderungen in der Oberfläche, die sie beleuchtet, 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. DieKamera-Modulkann diese verzerrten Muster aus verschiedenen Winkeln zur Lichtquelle erfassen.

Wie funktioniert eine strukturierte Lichtkamera?

Die Bildgebung mit strukturierter Lichtkamera umfasst mehrere Schritte, die kurz zusammengefasst sind:

• Musterprojektion: Ein speziell gestaltetes Lichtmuster wird auf ein Objekt projiziert, das dann deformiert wird, um eine 3D-Kartierung basierend auf den Konturen des Objekts zu erreichen.
• Bildaufnahme: Das deformierte Muster wird von der Kamera erfasst und die Änderungen im Muster werden aus einem bestimmten Winkel beobachtet. Die Tiefe des Objekts wird durch den Vergleich des bekannten projizierten Lichtmusters und der Lichtinteraktion mit der 3D-Oberfläche des Objekts abgeleitet.
• Triangulation: Die Kamera verwendet das bekannte projizierte Muster und das erfasste Bild, um die Tiefe des Objekts durch Triangulation zu berechnen und eine detaillierte 3D-Karte zu erstellen.

Die Genauigkeit und Auflösung der strukturierten Lichtbildgebung 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 kontrolliert wird und die Oberflächenmerkmale des Objekts deutlich sichtbar sind.

Was ist Time-of-Flight-Bildgebung?

Die Time-of-Flight (ToF) Bildgebung wurde bereits in einem speziellen Artikel behandelt. Die Time-of-Flight (ToF) Bildgebung ist eine Technologie mit hoher Genauigkeit und Echtzeitleistung und ist heute die bevorzugte Lösung für 3D-Tiefenmessung. Im Mittelpunkt der ToF-Technologie steht die Lichtquelle, die die Zeit misst, die das Lichtsignal benötigt, um von der Kamera aus zu propagieren, vom Objekt reflektiert zu werden und zum Sensor zurückzukehren, wodurch die Entfernung zum Objekt mit erstaunlicher Genauigkeit berechnet werden kann. Interessierte Parteien können sich auf den vorherigen Artikel beziehen, um einen detaillierten Einblick in die Prinzipien der ToF-Technologie sowie deren Vorteile und Nachteile zu erhalten.

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

Wenn es um 3D-Bildgebung geht, hängt die Wahl zwischen Stereo-Vision, strukturiertem Licht und Zeitflug (ToF)-Techniken normalerweise 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 die bevorzugte Wahl für viele 3D-Kartierungsanwendungen anerkannt werden.

Warum ist eine Zeitflug (ToF)-Kamera eine bessere Wahl für 3D-Kartierung?

Genauigkeit ist entscheidend für die 3D-Kartierungstechnologie. Oben haben wir gelernt, was 3D-Tiefenbildgebung ist, sowie Informationen über Zeitflug (ToF), strukturiertes Licht und Stereo-Vision. Lassen Sie uns kurz zusammenfassen, warum Zeitflug (ToF) besser für die 3D-Kartierung geeignet ist.

• Direkte Tiefenmessung:ToF-Kameras können die Tiefe direkt messen, was die Datenverarbeitungsanforderungen im Vergleich zu Stereo-Vision oder strukturierten Lichtsystemen vereinfacht, die auf komplexen Algorithmen basieren, um die Tiefe anhand von Bildparallaxen oder Musterversetzungen zu berechnen.
• Hohe Genauigkeit und Erweiterbarkeit:Die Bereitstellung von hochgenauen Messungen bis zu mm bis cm, kombiniert mit einem erweiterbaren Tiefenbereich, macht die ToF-Kamera gut geeignet für Präzisionsmessungen in unterschiedlichen Entfernungen.
• Softwarekomplexität:Die Tiefendaten der ToF-Kamera werden direkt vom Sensor erzeugt, was den Bedarf an Algorithmen reduziert. Verbesserte Datenverarbeitungseffizienz und schnellere Implementierung.
• Bessere Leistung bei schwachem Licht:Im Vergleich zu Stereo-Vision, die auf eine Lichtquelle angewiesen ist, schneiden Tof-Kameras bei schlechten Lichtverhältnissen besser ab, da sie eine aktive und zuverlässige Lichtquelle haben.
• Kompaktes und energieeffizientes Design:Im Gegensatz zu anderen Sensoren sind Tof-Kameras kompakter und verbrauchen weniger Energie. Ideal für tragbare oder batteriebetriebene Geräte.
• Echtzeitdatenverarbeitung:Die Tof-Kamera erfasst und verarbeitet Tiefendaten sehr schnell, was sie ideal für Echtzeitanwendungen wie Robotik macht.

Welche Anwendungen benötigen Zeit-of-Flight-Kameras?

Autonome Mobile Roboter (AMR):Die Tof-Kamera bietet Echtzeit-Abstandsmessung und Hinderniserkennung, wodurch AMR die Flexibilität erhält, sich in komplexen Außen- und Innenumgebungen zu bewegen. Hilft bei der Routenplanung und Kollisionvermeidung, verbessert die Autonomie und Zuverlässigkeit des Roboters.

Automatisierte Geführte Fahrzeuge (AGVs):In Lager- und Fertigungsumgebungen gewährleisten AGVs, die mit ToF-Kameras ausgestattet sind, eine zuverlässige Navigation und eine präzise Materialhandhabung. Die von diesen Kameras bereitgestellten Tiefendaten unterstützen fortschrittliche Pfadfindungsalgorithmen zur Optimierung der Logistik und zur Reduzierung menschlicher Eingriffe.

Gesichtserkennung-basierte Anti-Spoofing-Geräte:ToF-Kameras in erweiterten Gesichtserkennungssystemen verhindern unbefugten Zugriff durch Gesichtserkennungsspoofing, indem sie Tiefendaten analysieren, die zwischen einem echten Gesicht und einem Versuch, es zu replizieren (z.B. einer Maske oder einem Foto), unterscheiden können.

Schlussfolgerung

Durch diesen Artikel wird die wichtige Rolle von Time-of-Flight (ToF)-Kameras im Bereich der 3D-Bildgebung deutlich. Die Vorteile von ToF-Kameras heben auch ihr Potenzial hervor, Branchen zu revolutionieren, die auf präzise räumliche Daten angewiesen sind.
Während Stereo-Vision, strukturierte Lichtbildgebung und ToF-Technologien jeweils ihre eigenen Vorteile haben, stechen ToF-Kameras durch ihre Fähigkeit hervor, direkte, genaue und skalierbare Tiefenmessungen mit relativ geringer Softwarekomplexität bereitzustellen. Dies macht sie ideal für Anwendungen, bei denen Geschwindigkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit entscheidend sind.

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