la diferencia entre el tiempo de vuelo y otras cámaras de mapeo de profundidad 3D

La capacidad de sentir e interactuar con el mundo 3D es cada vez más importante en el panorama tecnológico actual, y una de las más prometedoras es la tecnología Time-of-Flight (ToF). Esta es una solución de mapeo de profundidad 3D innovadora que está ganando popularidad en áreas no móviles como la automatización industrial y el comercio minorista. Aunque el concepto de ToF ha existido desde la década de 1990 junto con la tecnología de bloqueo CCD, es sólo en los últimos años que ha madurado lentamente para satisfacer los estrictos requisitos del mercado profesional.

En este post, vamos a ver en profundidad por qué las cámaras ToF se están volviendo cada vez más populares para el mapeo de profundidad 3D, y cómo difieren de otras tecnologías de imágenes 3D como imágenes de visión estéreo e imágenes de luz estructurada.

¿Qué es el mapeo de profundidad en 3D?

El mapeo de profundidad 3D, también se puede llamar detección de profundidad o mapeo 3D. Es una tecnología de vanguardia que crea una representación de vista 3D de un espacio u objeto midiendo con precisión la distancia entre el sensor y varios puntos del entorno. Rompe las limitaciones de los datos de las cámaras 2D tradicionales y es fundamental para aplicaciones que requieren una percepción espacial precisa y capacidades de toma de decisiones en tiempo real.

en su núcleo,Mapeo de profundidad 3Dconsiste en proyectar una fuente de luz sobre un objeto y luego utilizar una cámara o sensor para capturar la luz reflejada. Los datos capturados se analizan para determinar el retraso de tiempo o la desviación de patrón de la luz reflejada para generar un mapa de profundidad. En términos comunes, un mapa de profundidad es un plan digital que describe la distancia relativa entre cada elemento de escena y el sensor. El mapeo de profundidad 3D es la diferencia entre una imagen estática y un mundo interactivo dinámico.

¿Qué es la tecnología de visión estéreo?

La tecnología de visión estéreo está inspirada en la capacidad del ojo humano para percibir la profundidad a través de la visión binocular. La tecnología utiliza el concepto de paralaje estéreo para imitar el sistema visual del ojo humano, donde cada cámara registra su campo de visión y luego utiliza estas diferentes imágenes para calcular las distancias de los objetos en una escena. La paralaje estéreo es la diferencia en la posición de la imagen de un objeto vista por el ojo izquierdo y el ojo derecho. Y el proceso por el cual el cerebro extrae información de profundidad de una imagen retiniana 2D a través de paralaje binocular se llama estereopsis.

Las cámaras de visión estéreo usan esta misma tecnología. Captan dos imágenes separadas desde diferentes puntos de vista (similares al ojo humano) y luego correlacionan computacionalmente estas imágenes para determinar las distancias de los objetos. Los mapas de profundidad se construyen reconociendo las características correspondientes en las dos imágenes y midiendo el desplazamiento horizontal o paralaje entre estas características. Una cosa a tener en cuenta es que cuanto mayor es la paralaje, más cerca está el objeto del observador.

¿Cómo funciona una cámara de visión estéreo?

Las cámaras de visión estéreo imitan la técnica del ojo humano, que percibe la profundidad a través de la geometría de la triangulación, donde hay varios atributos clave a tener en cuenta:

• Línea de base: la distancia entre las dos cámaras, similar a la distancia entre las pupilas humanas (~50-75 mm, distancia entre las pupilas).
• Resolución: proporcional a la profundidad. Los sensores de mayor resolución proporcionan más píxeles para analizar el paralaje, lo que permite cálculos de profundidad más precisos.
• Largura focal: La longitud focal es proporcional a la profundidad de campo. Afecta el rango de profundidad y el campo de visión, longitud focal corta, campo de visión amplio, pero percepción de la profundidad de campo cercano deficiente;distancia focales alto, el campo de visión es grande, la observación más detallada de los objetos en el campo cercano.

Las cámaras de visión estéreo son particularmente adecuadas para aplicaciones al aire libre que requieren un gran campo de visión, como los sistemas de navegación automática y la reconstrucción en 3D. Por supuesto, la tecnología requiere que la imagen capturada tenga suficiente detalle y textura o inhomogeneidad. También podemos mejorar estas texturas y detalles iluminando la escena con iluminación estructurada para mejorar la detección de características y mejorar la calidad del mapa de profundidad.

¿Qué es la imagen de luz estructurada?

La imagen de luz estructurada es un sofisticado método de mapeo de profundidad 3D que utiliza una fuente de luz para proyectar un patrón en una superficie y luego captura la distorsión de ese patrón a medida que interactúa con la geometría 3D del objeto. Esta técnica permite medir con precisión las dimensiones de un objeto y reconstruir su forma 3D.

En la imagen 3D, las cámaras de luz estructurada utilizan una fuente de luz como un láser o un LED para proyectar un patrón (generalmente una cuadrícula o una serie de rayas). El propósito del patrón es mejorar la capacidad de la cámara para reconocer y medir los cambios en la superficie que ilumina. Cuando el patrón ilumina la superficie de un objeto, se deforma de acuerdo con la forma y las propiedades espaciales del objeto. Elmódulo de cámarapueden capturar estos patrones distorsionados en diferentes ángulos con respecto a la fuente de luz.

¿Cómo funciona una cámara de luz estructurada?

La obtención de imágenes con cámara de luz estructurada implica varios pasos, que se resumen brevemente a continuación:

• Proyección de patrones: Un patrón de luz especialmente diseñado se proyecta sobre un objeto, que luego se deforma para lograr un mapeo 3D basado en los contornos del objeto.
• Captura de imagen: el patrón deformado es capturado por la cámara y los cambios en el patrón se observan en un cierto ángulo. La profundidad del objeto se deduce comparando el patrón de luz proyectado conocido y la interacción de la luz con la superficie 3D del objeto.
• Triangulación: La cámara utiliza el patrón proyectado conocido y la imagen capturada para calcular la profundidad del objeto mediante triangulación para crear un mapa 3D detallado.

La precisión y resolución de la imagen de luz estructurada se ven afectadas por factores como la calidad de la fuente de luz, la complejidad del patrón y la capacidad de la cámara para resolver detalles. Esta técnica es particularmente eficaz en entornos donde la iluminación está controlada y las características de la superficie del objeto son claramente visibles.

¿Qué es la Imagen de Tiempo de Vuelo?

La imagen del tiempo de vuelo (ToF) ya ha sido cubierta en un artículo especial. La imagen Time-of-Flight (ToF) es una tecnología con alta precisión y rendimiento en tiempo real, y es la solución preferida para el mapeo de profundidad 3D hoy en día. En el corazón de la tecnología ToF está la fuente de luz, que mide el tiempo que tarda la señal de luz en propagarse desde la cámara, Las partes interesadas pueden consultar el artículo anterior para obtener una visión más profunda de los principios de la tecnología ToF, así como sus ventajas y deficiencias.

Visión estéreo frente a luz estructurada frente a imágenes de tiempo de vuelo (ToF)

Cuando se trata de imágenes 3D, la elección entre la visión estéreo, la imagen de luz estructurada y las técnicas de tiempo de vuelo (ToF) generalmente depende de los requisitos específicos de la aplicación. Cada enfoque tiene sus propias ventajas y limitaciones, que exploraremos en detalle para ayudarle a comprender por qué las cámaras ToF son cada vez más reconocidas como la opción preferida para muchas aplicaciones de mapeo 3D.

¿Por qué una cámara de tiempo de vuelo (ToF) es una mejor opción para el mapeo 3D?

La precisión es crítica para la tecnología de mapeo 3D. En lo anterior, hemos aprendido qué es la imagen de profundidad 3D, así como información sobre el tiempo de vuelo (ToF), la luz estructurada y la visión estéreo. Resumamos brevemente por qué el tiempo de vuelo (ToF) es más adecuado para el mapeo 3D.

• Medida directa de profundidad:Las cámaras ToF pueden medir la profundidad directamente, simplificando los requisitos de procesamiento de datos en comparación con la visión estéreo o los sistemas de luz estructurada que dependen de algoritmos complejos para calcular la profundidad basada en la paralaje de la imagen o la distorsión del patrón.
• Alta precisión y capacidad de expansión:Proporcionar mediciones de alta precisión de hasta mm a cm, combinado con un rango de profundidad expandible, hace que la cámara ToF sea adecuada para mediciones de precisión a diferentes distancias.
• Complejidad del software:Los datos de profundidad de la cámara ToF se generan directamente desde el sensor, lo que reduce la necesidad de algoritmos. Mejora de la eficiencia del procesamiento de datos y una aplicación más rápida.
• Mejor rendimiento en condiciones de poca luz:En comparación con la visión estéreo que depende de una fuente de luz, las cámaras Tof funcionan mejor en condiciones de poca luz debido a una fuente de luz activa y confiable.
• Diseño compacto y eficiente desde el punto de vista energético:A diferencia de otros sensores, las cámaras Tof son más compactas y consumen menos energía. Ideal para dispositivos portátiles o alimentados por baterías.
• Procesamiento de datos en tiempo real:La cámara Tof captura y procesa datos de profundidad muy rápidamente, lo que la hace ideal para aplicaciones en tiempo real como la robótica.

¿Qué aplicaciones necesitan cámaras de tiempo de vuelo?

Robots móviles autónomos (AMR):La cámara Tof proporciona medición de distancia y detección de obstáculos en tiempo real, lo que le da a AMR la flexibilidad para navegar en entornos exteriores e interiores complejos. Ayuda a planificar el recorrido y evitar colisiones, mejorando la autonomía y fiabilidad del robot.

Vehículos guiados automáticamente (VGA):En los entornos de almacenamiento y fabricación, los AGV equipados con cámaras ToF garantizan una navegación confiable y un manejo preciso del material. Los datos de profundidad proporcionados por estas cámaras apoyan algoritmos avanzados de búsqueda de rutas para optimizar la logística y reducir la intervención humana.

Dispositivos anti-espoofing basados en el reconocimiento facial:Las cámaras ToF en sistemas de reconocimiento facial aumentados evitan el acceso no autorizado a través de la suplantación de reconocimiento facial mediante el análisis de datos en profundidad que pueden diferenciar entre una cara real y un intento de replicarla (por ejemplo, una máscara o una foto).

Conclusión

A través de este artículo, se ve claramente el importante papel de las cámaras de tiempo de vuelo (ToF) en el campo de la imagen 3D. Los beneficios de las cámaras ToF también destacan su potencial para revolucionar las industrias que dependen de datos espaciales precisos.
Mientras que la visión estéreo, la imagen de luz estructurada y las tecnologías ToF tienen sus propios méritos entre sí, las cámaras ToF se destacan por su capacidad para proporcionar mediciones de profundidad directas, precisas y escalables con una complejidad de software relativamente baja. Esto los hace ideales para aplicaciones donde la velocidad, la precisión y la fiabilidad son críticas.

Con más de una década de experiencia en la industria en el suministro y personalizacióncámaras de origenSinoseen puede proporcionarle las soluciones de imagen más especializadas para su módulo de cámara. Ya sea MIPI, USB, dvp o MIPI interfaz csi-2, Sinoseen siempre tiene una solución para su satisfacción, por favor no dude en contactarnos si necesita algo.