La diferencia entre el tiempo de vuelo (ToF) 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 de tiempo de vuelo (ToF). Se trata de una innovadora solución de mapeo de profundidad en 3D que está ganando popularidad en áreas no móviles, como la automatización industrial y el comercio minorista. Aunque el concepto ToF ha existido desde la década de 1990 junto con la tecnología CCD de bloqueo, es solo en los últimos años que ha madurado lentamente para cumplir con los estrictos requisitos del mercado profesional.

En esta publicación, analizaremos en profundidad por qué las cámaras ToF se están volviendo cada vez más populares para el mapeo de profundidad 3D y en qué se diferencian de otras tecnologías de imagen 3D, como las imágenes de visión estéreo y las imágenes de luz estructurada.

¿Qué es el mapeo de profundidad 3D?

El mapeo de profundidad 3D, también se puede llamar detección de profundidad o mapeo 3D. Se trata de una tecnología de vanguardia que crea una representación en 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 las aplicaciones que requieren una percepción espacial precisa y capacidades de toma de decisiones en tiempo real.

En esencia,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 retardo de tiempo o la desviación del patrón de la luz reflejada para generar un mapa de profundidad. En términos sencillos, un mapa de profundidad es un plano digital que describe la distancia relativa entre cada elemento de la escena y el sensor.3D el mapeo de profundidad es la diferencia entre una imagen estática y un mundo interactivo dinámico.

¿Qué es la tecnología de visión estereoscópica?

La tecnología de visión estereoscópica se inspira 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 usa estas diferentes imágenes para calcular las distancias de los objetos en una escena. El 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 en 2D a través del paralaje binocular se llama estereopsis.

Las cámaras de visión estereoscópica utilizan esta misma tecnología. Capturan 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 el paralaje, más cerca está el objeto del observador.

¿Cómo funciona una cámara de visión estereoscópica?

Las cámaras de visión estereoscópica 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 al espaciado de la pupila humana (~50-75 mm, distancia pupilar).
• 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.
• Distancia focal: La distancia focal es proporcional a la profundidad de campo. Afecta el rango de profundidad y el campo de visión, distancia focal corta, campo de visión amplio, pero mala percepción de profundidad del campo cercano;Distancia focales alto, el campo de visión es grande, la observación más detallada de objetos en el campo cercano.

Las cámaras de visión estereoscópica son especialmente adecuadas para aplicaciones al aire libre que requieren un gran campo de visión, como los sistemas de navegación automática y la reconstrucción 3D. Por supuesto, la tecnología requiere que la imagen capturada tenga suficiente detalle y textura o falta de homogeneidad. 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 son las imágenes 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 sobre una superficie y luego captura la distorsión de ese patrón a medida que interactúa con la geometría 3D del objeto. Esta técnica permite la medición precisa de las dimensiones de un objeto y la reconstrucción de su forma en 3D.

En las imágenes 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 cámaraPuede capturar estos patrones distorsionados en diferentes ángulos de la fuente de luz.

¿Cómo funciona una cámara de luz estructurada?

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

• Proyección de patrones: Se proyecta un patrón de luz especialmente diseñado sobre un objeto, que luego se deforma para lograr un mapeo 3D basado en los contornos del objeto.
• Captura de imagen: La cámara captura el patrón deformado y los cambios en el patrón se observan en un ángulo determinado. La profundidad del objeto se infiere comparando el patrón de luz proyectada 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 la resolución de las imágenes 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 efectiva en entornos donde la iluminación está controlada y las características de la superficie del objeto son claramente visibles.

¿Qué son las imágenes de tiempo de vuelo?

Las imágenes de tiempo de vuelo (ToF) ya se han cubierto en un artículo especial. Las imágenes de tiempo de vuelo (ToF) son una tecnología con alta precisión y rendimiento en tiempo real, y son la solución preferida para el mapeo de profundidad en 3D en la actualidad. En el corazón de la tecnología ToF se encuentra la fuente de luz, que mide el tiempo que tarda la señal de luz en propagarse desde la cámara, reflejarse en el objeto y volver al sensor, lo que permite calcular la distancia al objeto con una precisión asombrosa. Las partes interesadas pueden consultar el artículo anterior para obtener una visión en profundidad de los principios de la tecnología ToF, así como de sus ventajas y deficiencias.

Visión estereoscópica vs. luz estructurada vs. imágenes de tiempo de vuelo (ToF)

Cuando se trata de imágenes 3D, la elección entre la visión estéreo, las imágenes de luz estructurada y las técnicas de tiempo de vuelo (ToF) suele depender de los requisitos específicos de la aplicación. Cada enfoque tiene sus propios beneficios y limitaciones, que exploraremos en detalle para ayudarlo 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 fundamental para la tecnología de mapeo 3D. Arriba, hemos aprendido qué son las imágenes de profundidad 3D, así como información sobre el tiempo de vuelo (ToF), la luz estructurada y la visión estéreo. Vamos a resumir brevemente por qué el tiempo de vuelo (ToF) es más adecuado para el mapeo 3D.

• Medición directa de la profundidad:Las cámaras ToF pueden medir la profundidad directamente, lo que simplifica los requisitos de procesamiento de datos en comparación con los sistemas de visión estéreo o luz estructurada que se basan en algoritmos complejos para calcular la profundidad en función del paralaje de la imagen o la distorsión del patrón.
• Alta precisión y capacidad de expansión:Al proporcionar mediciones de alta precisión de hasta mm a cm, combinadas con un rango de profundidad ampliable, la cámara ToF es muy 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 implementación más rápida.
• Mejor rendimiento en condiciones de poca luz:En comparación con la visión estéreo que se basa en 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 energéticamente eficiente:A diferencia de otros sensores, las cámaras Tof son más compactas y consumen menos energía. Ideal para dispositivos portátiles o que funcionan con 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 en tiempo real y detección de obstáculos, lo que le da a AMR la flexibilidad para navegar en entornos exteriores e interiores complejos. Ayuda a planificar la ruta y evitar colisiones, mejorando la autonomía y la fiabilidad del robot.

Vehículos de guiado automático (AGV):En entornos de almacén y fabricación, los AGV equipados con cámaras ToF garantizan una navegación fiable y una manipulación precisa de los materiales. Los datos de profundidad proporcionados por estas cámaras respaldan algoritmos avanzados de búsqueda de rutas para optimizar la logística y reducir la intervención humana.

Dispositivos anti-spoofing basados en reconocimiento facial:Las cámaras ToF en los 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 un rostro real y un intento de replicarlo (por ejemplo, una máscara o una foto).

Conclusión

A través de este artículo, queda claro el importante papel de las cámaras de tiempo de vuelo (ToF) en el campo de las imágenes 3D. Los beneficios de las cámaras ToF también destacan su potencial para revolucionar las industrias que dependen de datos espaciales precisos.
Si bien la visión estéreo, las imágenes de luz estructurada y las tecnologías ToF tienen sus propios méritos entre ellas, 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 en las que la velocidad, la precisión y la fiabilidad son fundamentales.

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