Η διαφορά μεταξύ του χρόνου πτήσης (ToF) και άλλων φωτογραφικών μηχανών χαρτογράφησης βάθους 3D

Η ικανότητα αίσθησης και αλληλεπίδρασης με τον 3D κόσμο γίνεται όλο και πιο σημαντική στο σημερινό τεχνολογικό τοπίο και μία από τις πιο ελπιδοφόρες είναι η τεχνολογία Time-of-Flight (ToF). Πρόκειται για μια πρωτοποριακή λύση χαρτογράφησης βάθους 3D που κερδίζει δημοτικότητα σε μη κινητές περιοχές όπως ο βιομηχανικός αυτοματισμός και το λιανικό εμπόριο. Παρόλο που η έννοια του ToF υπάρχει από τη δεκαετία του 1990 μαζί με την τεχνολογία κλειδώματος CCD, μόνο τα τελευταία χρόνια έχει ωριμάσει αργά για να ανταποκριθεί στις αυστηρές απαιτήσεις της επαγγελματικής αγοράς.

Σε αυτήν την ανάρτηση, θα ρίξουμε μια εις βάθος ματιά στο γιατί οι κάμερες ToF γίνονται όλο και πιο δημοφιλείς για τη χαρτογράφηση βάθους 3D και πώς διαφέρουν από άλλες τεχνολογίες απεικόνισης 3D, όπως η στερεοφωνική απεικόνιση όρασης και η δομημένη απεικόνιση φωτός.

Τι είναι η χαρτογράφηση βάθους 3D;

Η χαρτογράφηση βάθους 3D, μπορεί επίσης να ονομαστεί ανίχνευση βάθους ή χαρτογράφηση 3D. Πρόκειται για μια τεχνολογία αιχμής που δημιουργεί μια 3D αναπαράσταση ενός χώρου ή αντικειμένου μετρώντας με ακρίβεια την απόσταση μεταξύ του αισθητήρα και διαφόρων σημείων στο περιβάλλον. Ξεπερνά τους περιορισμούς των παραδοσιακών δεδομένων κάμερας 2D και είναι κρίσιμο για εφαρμογές που απαιτούν ακριβή χωρική αντίληψη και δυνατότητες λήψης αποφάσεων σε πραγματικό χρόνο.

Στον πυρήνα της,3D χαρτογράφηση βάθουςπεριλαμβάνει την προβολή μιας πηγής φωτός σε ένα αντικείμενο και στη συνέχεια τη χρήση κάμερας ή αισθητήρα για τη σύλληψη του ανακλώμενου φωτός. Τα δεδομένα που συλλαμβάνονται αναλύονται για να προσδιοριστεί η χρονική καθυστέρηση ή η απόκλιση μοτίβου του ανακλώμενου φωτός για τη δημιουργία ενός χάρτη βάθους. Με απλούς όρους, ένας χάρτης βάθους είναι ένα ψηφιακό σχέδιο που περιγράφει τη σχετική απόσταση μεταξύ κάθε στοιχείου σκηνής και το sensor.3D χαρτογράφηση βάθους είναι η διαφορά μεταξύ μιας στατικής εικόνας και ενός δυναμικού διαδραστικού κόσμου.

Τι είναι η τεχνολογία στερεοφωνικής όρασης;

Η τεχνολογία στερεοφωνικής όρασης είναι εμπνευσμένη από την ικανότητα του ανθρώπινου ματιού να αντιλαμβάνεται το βάθος μέσω της διόφθαλμης όρασης. Η τεχνολογία χρησιμοποιεί την έννοια της στερεοφωνικής παράλλαξης για να μιμηθεί το οπτικό σύστημα του ανθρώπινου ματιού, όπου κάθε κάμερα καταγράφει το οπτικό της πεδίο και στη συνέχεια χρησιμοποιεί αυτές τις διαφορετικές εικόνες για να υπολογίσει τις αποστάσεις των αντικειμένων σε μια σκηνή. Η στερεοφωνική παράλλαξη είναι η διαφορά στη θέση της εικόνας ενός αντικειμένου που φαίνεται από το αριστερό μάτι και το δεξί μάτι. Και η διαδικασία με την οποία ο εγκέφαλος εξάγει πληροφορίες βάθους από μια 2D εικόνα αμφιβληστροειδούς μέσω διόφθαλμης παράλλαξης ονομάζεται στερεόψη.

Οι στερεοφωνικές κάμερες όρασης χρησιμοποιούν αυτήν ακριβώς την τεχνολογία. Καταγράφουν δύο ξεχωριστές εικόνες από διαφορετικές οπτικές γωνίες (παρόμοιες με το ανθρώπινο μάτι) και στη συνέχεια συσχετίζουν υπολογιστικά αυτές τις εικόνες για να καθορίσουν τις αποστάσεις των αντικειμένων. Οι χάρτες βάθους κατασκευάζονται αναγνωρίζοντας τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά στις δύο εικόνες και μετρώντας την οριζόντια μετατόπιση ή παράλλαξη μεταξύ αυτών των χαρακτηριστικών. Ένα πράγμα που πρέπει να σημειωθεί είναι ότι όσο μεγαλύτερη είναι η παράλλαξη, τόσο πιο κοντά είναι το αντικείμενο στον παρατηρητή.

Πώς λειτουργεί μια κάμερα στερεοφωνικής όρασης;

Οι κάμερες στερεοφωνικής όρασης μιμούνται την τεχνική του ανθρώπινου ματιού, το οποίο αντιλαμβάνεται το βάθος μέσω της γεωμετρίας του τριγωνισμού, όπου υπάρχουν πολλά βασικά χαρακτηριστικά που πρέπει να ληφθούν υπόψη:

• Γραμμή βάσης: η απόσταση μεταξύ των δύο καμερών, παρόμοια με την απόσταση της ανθρώπινης κόρης (~50-75 mm, απόσταση κόρης).
• Ανάλυση: ανάλογη με το βάθος. Οι αισθητήρες υψηλότερης ανάλυσης παρέχουν περισσότερα pixel για την ανάλυση της παράλλαξης, επιτρέποντας ακριβέστερους υπολογισμούς βάθους.
• Εστιακή απόσταση: Η εστιακή απόσταση είναι ανάλογη με το βάθος πεδίου. Επηρεάζουν το εύρος βάθους και το οπτικό πεδίο, μικρή εστιακή απόσταση, ευρύ οπτικό πεδίο, αλλά κακή αντίληψη βάθους του κοντινού πεδίου.Εστιακήείναι υψηλό, το οπτικό πεδίο είναι μεγάλο, η πιο λεπτομερής παρατήρηση αντικειμένων στο κοντινό πεδίο.

Οι κάμερες στερεοφωνικής όρασης είναι ιδιαίτερα κατάλληλες για εξωτερικές εφαρμογές που απαιτούν μεγάλο οπτικό πεδίο, όπως αυτόματα συστήματα πλοήγησης και 3D ανακατασκευή. Φυσικά, η τεχνολογία απαιτεί ότι η ληφθείσα εικόνα πρέπει να έχει επαρκείς λεπτομέρειες και υφή ή ανομοιογένεια. Μπορούμε επίσης να βελτιώσουμε αυτές τις υφές και λεπτομέρειες φωτίζοντας τη σκηνή με δομημένο φωτισμό για να βελτιώσουμε την ανίχνευση χαρακτηριστικών και να βελτιώσουμε την ποιότητα του χάρτη βάθους.

Τι είναι η δομημένη απεικόνιση φωτός;

Η δομημένη απεικόνιση φωτός είναι μια εξελιγμένη μέθοδος χαρτογράφησης βάθους 3D που χρησιμοποιεί μια πηγή φωτός για να προβάλει ένα μοτίβο σε μια επιφάνεια και στη συνέχεια καταγράφει την παραμόρφωση αυτού του μοτίβου καθώς αλληλεπιδρά με την 3D γεωμετρία του αντικειμένου. Αυτή η τεχνική επιτρέπει την ακριβή μέτρηση των διαστάσεων ενός αντικειμένου και την ανακατασκευή του 3D σχήματος του.

Στην απεικόνιση 3D, οι δομημένες κάμερες φωτός χρησιμοποιούν μια πηγή φωτός όπως ένα λέιζερ ή LED για να προβάλουν ένα μοτίβο (συνήθως ένα πλέγμα ή μια σειρά λωρίδων). Ο σκοπός του σχεδίου είναι να ενισχύσει την ικανότητα της κάμερας να αναγνωρίζει και να μετρά τις αλλαγές στην επιφάνεια που φωτίζει. Όταν το μοτίβο φωτίζει την επιφάνεια ενός αντικειμένου, παραμορφώνεται ανάλογα με το σχήμα και τις χωρικές ιδιότητες του αντικειμένου. Ομονάδα κάμεραςμπορεί να συλλάβει αυτά τα παραμορφωμένα μοτίβα σε διαφορετικές γωνίες από την πηγή φωτός.

Πώς λειτουργεί μια δομημένη κάμερα φωτός;

Η απεικόνιση δομημένης κάμερας φωτός περιλαμβάνει διάφορα βήματα, τα οποία συνοψίζονται συνοπτικά παρακάτω:

• Προβολή μοτίβου: Ένα ειδικά σχεδιασμένο μοτίβο φωτός προβάλλεται σε ένα αντικείμενο, το οποίο στη συνέχεια παραμορφώνεται για να επιτευχθεί 3D χαρτογράφηση με βάση τα περιγράμματα του αντικειμένου.
• Λήψη εικόνας: Το παραμορφωμένο μοτίβο συλλαμβάνεται από την κάμερα και οι αλλαγές στο μοτίβο παρατηρούνται σε μια συγκεκριμένη γωνία. Το βάθος του αντικειμένου συνάγεται συγκρίνοντας το γνωστό προβαλλόμενο μοτίβο φωτός και την αλληλεπίδραση φωτός με την 3D επιφάνεια του αντικειμένου.
• Τριγωνισμός: Η κάμερα χρησιμοποιεί το γνωστό προβαλλόμενο μοτίβο και την καταγεγραμμένη εικόνα για να υπολογίσει το βάθος του αντικειμένου με τριγωνισμό για να δημιουργήσει έναν λεπτομερή χάρτη 3D.

Η ακρίβεια και η ανάλυση της δομημένης απεικόνισης φωτός επηρεάζεται από παράγοντες όπως η ποιότητα της πηγής φωτός, η πολυπλοκότητα του μοτίβου και η ικανότητα της κάμερας να επιλύει λεπτομέρειες. Αυτή η τεχνική είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική σε περιβάλλοντα όπου ο φωτισμός ελέγχεται και τα επιφανειακά χαρακτηριστικά του αντικειμένου είναι σαφώς ορατά.

Τι είναι η απεικόνιση χρόνου πτήσης;

Η απεικόνιση του χρόνου πτήσης (ToF) έχει ήδη καλυφθεί σε ειδικό άρθρο. Η απεικόνιση χρόνου πτήσης (ToF) είναι μια τεχνολογία με υψηλή ακρίβεια και απόδοση σε πραγματικό χρόνο και είναι η προτιμώμενη λύση για 3D χαρτογράφηση βάθους σήμερα. Στην καρδιά της τεχνολογίας ToF βρίσκεται η πηγή φωτός, η οποία μετρά το χρόνο που χρειάζεται για να διαδοθεί το σήμα φωτός από την κάμερα, να ανακλαστεί από το αντικείμενο και να επιστρέψει στον αισθητήρα, επιτρέποντας τον υπολογισμό της απόστασης από το αντικείμενο με εκπληκτική ακρίβεια. Τα ενδιαφερόμενα μέρη μπορούν να ανατρέξουν στο προηγούμενο άρθρο για μια εις βάθος ματιά στις αρχές της τεχνολογίας ToF, καθώς και στα πλεονεκτήματα και τις αδυναμίες της.

Στερεοφωνική όραση έναντι δομημένου φωτός έναντι απεικόνισης χρόνου πτήσης (ToF)

Όταν πρόκειται για 3D απεικόνιση, η επιλογή μεταξύ στερεοφωνικής όρασης, δομημένης απεικόνισης φωτός και τεχνικών χρόνου πτήσης (ToF) εξαρτάται συνήθως από τις συγκεκριμένες απαιτήσεις της εφαρμογής. Κάθε προσέγγιση έχει τα δικά της οφέλη και περιορισμούς, τα οποία θα διερευνήσουμε λεπτομερώς για να σας βοηθήσουμε να καταλάβετε γιατί οι κάμερες ToF αναγνωρίζονται όλο και περισσότερο ως η προτιμώμενη επιλογή για πολλές εφαρμογές 3D χαρτογράφησης.

Γιατί μια κάμερα χρόνου πτήσης (ToF) είναι καλύτερη επιλογή για 3D χαρτογράφηση;

Η ακρίβεια είναι κρίσιμη για την τεχνολογία 3D χαρτογράφησης. Παραπάνω, μάθαμε τι είναι η 3D απεικόνιση βάθους, καθώς και πληροφορίες σχετικά με το χρόνο πτήσης (ToF), το δομημένο φως και τη στερεοφωνική όραση. Ας συνοψίσουμε εν συντομία γιατί ο χρόνος πτήσης (ToF) είναι πιο κατάλληλος για 3D χαρτογράφηση.

• Άμεση μέτρηση βάθους:Οι κάμερες ToF μπορούν να μετρήσουν απευθείας το βάθος, απλοποιώντας τις απαιτήσεις επεξεργασίας δεδομένων σε σύγκριση με τη στερεοφωνική όραση ή τα δομημένα συστήματα φωτισμού που βασίζονται σε πολύπλοκους αλγόριθμους για τον υπολογισμό του βάθους με βάση την παράλλαξη της εικόνας ή την παραμόρφωση του μοτίβου.
• Υψηλή ακρίβεια και επεκτασιμότητα:Η παροχή μετρήσεων υψηλής ακρίβειας έως mm έως cm, σε συνδυασμό με ένα επεκτάσιμο εύρος βάθους, καθιστά την κάμερα ToF κατάλληλη για μετρήσεις ακριβείας σε διαφορετικές αποστάσεις.
• Πολυπλοκότητα λογισμικού:Τα δεδομένα βάθους κάμερας ToF παράγονται απευθείας από τον αισθητήρα, μειώνοντας την ανάγκη για αλγόριθμους. Βελτιωμένη αποτελεσματικότητα επεξεργασίας δεδομένων και ταχύτερη εφαρμογή.
• Καλύτερη απόδοση σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού:Σε σύγκριση με τη στερεοφωνική όραση που βασίζεται σε πηγή φωτός, οι κάμερες Tof αποδίδουν καλύτερα σε συνθήκες χαμηλού φωτισμού λόγω μιας ενεργής και αξιόπιστης πηγής φωτός.
• Συμπαγής και ενεργειακά αποδοτικός σχεδιασμός:Σε αντίθεση με άλλους αισθητήρες, οι κάμερες Tof είναι πιο συμπαγείς και καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια. Ιδανικό για φορητές συσκευές ή συσκευές με μπαταρία.
• Επεξεργασία δεδομένων σε πραγματικό χρόνο:Η κάμερα Tof καταγράφει και επεξεργάζεται δεδομένα βάθους πολύ γρήγορα, καθιστώντας την ιδανική για εφαρμογές σε πραγματικό χρόνο, όπως η ρομποτική.

Ποιες εφαρμογές χρειάζονται κάμερες χρόνου πτήσης;

Αυτόνομα κινητά ρομπότ (AMR):Η κάμερα Tof παρέχει μέτρηση απόστασης σε πραγματικό χρόνο και ανίχνευση εμποδίων, δίνοντας στην AMR την ευελιξία πλοήγησης σε πολύπλοκα εξωτερικά και εσωτερικά περιβάλλοντα. Βοηθά στον σχεδιασμό διαδρομών και στην αποφυγή συγκρούσεων, βελτιώνοντας την αυτονομία και την αξιοπιστία των ρομπότ.

Αυτοματοποιημένα καθοδηγούμενα οχήματα (AGV):Σε περιβάλλοντα αποθήκης και παραγωγής, τα AGV εξοπλισμένα με κάμερες ToF εξασφαλίζουν αξιόπιστη πλοήγηση και ακριβή χειρισμό υλικών. Τα δεδομένα βάθους που παρέχονται από αυτές τις κάμερες υποστηρίζουν προηγμένους αλγόριθμους εύρεσης διαδρομής για τη βελτιστοποίηση της εφοδιαστικής και τη μείωση της ανθρώπινης παρέμβασης.

Συσκευές κατά της πλαστογράφησης που βασίζονται στην αναγνώριση προσώπου:Οι κάμερες ToF σε συστήματα επαυξημένης αναγνώρισης προσώπου αποτρέπουν τη μη εξουσιοδοτημένη πρόσβαση μέσω πλαστογράφησης αναγνώρισης προσώπου, αναλύοντας σε βάθος δεδομένα που μπορούν να διαφοροποιήσουν μεταξύ ενός πραγματικού προσώπου και μιας προσπάθειας αναπαραγωγής του (π.χ. μάσκα ή φωτογραφία).

Συμπέρασμα

Μέσα από αυτό το άρθρο, είναι σαφές να δούμε τον σημαντικό ρόλο των φωτογραφικών μηχανών time-of-flight (ToF) στον τομέα της 3D απεικόνισης. Τα οφέλη των καμερών ToF υπογραμμίζουν επίσης τη δυνατότητά τους να φέρουν επανάσταση σε βιομηχανίες που βασίζονται σε ακριβή χωρικά δεδομένα.
Ενώ η στερεοφωνική όραση, η δομημένη απεικόνιση φωτός και οι τεχνολογίες ToF έχουν τα δικά τους πλεονεκτήματα μεταξύ τους, οι κάμερες ToF ξεχωρίζουν για την ικανότητά τους να παρέχουν άμεσες, ακριβείς και κλιμακούμενες μετρήσεις βάθους με σχετικά χαμηλή πολυπλοκότητα λογισμικού. Αυτό τα καθιστά ιδανικά για εφαρμογές όπου η ταχύτητα, η ακρίβεια και η αξιοπιστία είναι κρίσιμης σημασίας.

Με πάνω από μια δεκαετία εμπειρίας στον κλάδο στον εφοδιασμό και την προσαρμογήΚάμερες cOem, η Sinoseen μπορεί να σας προσφέρει τις πιο εξειδικευμένες λύσεις απεικόνισης για τη μονάδα της φωτογραφικής μηχανής σας. Είτε πρόκειται για διεπαφή MIPI, USB, dvp ή MIPI csi-2, η Sinoseen έχει πάντα μια λύση για την ικανοποίησή σας, μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μας εάν χρειάζεστε κάτι.