La differenza tra il tempo di volo (ToF) e altre telecamere 3D per la mappatura della profondità

La capacità di percepire e interagire con il mondo 3D sta diventando sempre più importante nel panorama tecnologico odierno e una delle più promettenti è la tecnologia Time-of-Flight (ToF). Si tratta di una soluzione rivoluzionaria di mappatura della profondità 3D che sta guadagnando popolarità in aree non mobili come l'automazione industriale e la vendita al dettaglio. Sebbene il concetto di ToF sia in circolazione dagli anni '90 insieme alla tecnologia CCD bloccante, è solo negli ultimi anni che è lentamente maturato per soddisfare i severi requisiti del mercato professionale.

In questo post, daremo uno sguardo approfondito al motivo per cui le telecamere ToF stanno diventando sempre più popolari per la mappatura della profondità 3D e in che modo differiscono da altre tecnologie di imaging 3D come l'imaging a visione stereoscopica e l'imaging a luce strutturata.

Che cos'è la mappatura della profondità 3D?

La mappatura della profondità 3D, può anche essere chiamata rilevamento della profondità o mappatura 3D. Si tratta di una tecnologia all'avanguardia che crea una rappresentazione 3D di uno spazio o di un oggetto misurando con precisione la distanza tra il sensore e i vari punti dell'ambiente. Supera i limiti dei dati delle telecamere 2D tradizionali ed è fondamentale per le applicazioni che richiedono una percezione spaziale accurata e capacità decisionali in tempo reale.

Al suo interno,Mappatura della profondità 3DImplica la proiezione di una fonte di luce su un oggetto e quindi l'utilizzo di una fotocamera o di un sensore per catturare la luce riflessa. I dati acquisiti vengono analizzati per determinare il ritardo o la deviazione del modello della luce riflessa per generare una mappa di profondità. In parole povere, una mappa di profondità è un progetto digitale che descrive la distanza relativa tra ogni elemento della scena e la sensor.3D mappatura della profondità è la differenza tra un'immagine statica e un mondo interattivo dinamico.

Che cos'è la tecnologia di visione stereoscopica?

La tecnologia di visione stereoscopica si ispira alla capacità dell'occhio umano di percepire la profondità attraverso la visione binoculare. La tecnologia utilizza il concetto di parallasse stereo per imitare il sistema visivo dell'occhio umano, in cui ogni telecamera registra il proprio campo visivo e quindi utilizza queste diverse immagini per calcolare le distanze degli oggetti in una scena. La parallasse stereo è la differenza nella posizione dell'immagine di un oggetto vista dall'occhio sinistro e dall'occhio destro. E il processo attraverso il quale il cervello estrae informazioni sulla profondità da un'immagine retinica 2D attraverso la parallasse binoculare è chiamato stereopsi.

Le telecamere per la visione stereo utilizzano proprio questa tecnologia. Catturano due immagini separate da punti di vista diversi (simili all'occhio umano) e quindi correlano computazionalmente queste immagini per determinare le distanze degli oggetti. Le mappe di profondità sono costruite riconoscendo le caratteristiche corrispondenti nelle due immagini e misurando lo spostamento orizzontale o la parallasse tra queste caratteristiche. Una cosa da notare è che maggiore è la parallasse, più l'oggetto è vicino all'osservatore.

Come funziona una telecamera per la visione stereoscopica?

Le telecamere per la visione stereo imitano la tecnica dell'occhio umano, che percepisce la profondità attraverso la geometria della triangolazione, dove ci sono diversi attributi chiave da tenere in considerazione:

• Linea di base: la distanza tra le due telecamere, simile alla distanza tra le pupille umane (~50-75 mm, distanza pupillare).
• Risoluzione: proporzionale alla profondità. I sensori a risoluzione più elevata forniscono più pixel per analizzare la parallasse, consentendo calcoli di profondità più accurati.
• Lunghezza focale: la lunghezza focale è proporzionale alla profondità di campo. Influenzare la gamma di profondità e il campo visivo, la focale corta della lunghezza, l'ampio campo visivo, ma la scarsa percezione della profondità del campo vicino;distanza focaleè alto, il campo visivo è ampio, l'osservazione più dettagliata degli oggetti nel campo vicino.

Le telecamere per la visione stereo sono particolarmente adatte per applicazioni esterne che richiedono un ampio campo visivo, come i sistemi di navigazione automatica e la ricostruzione 3D. Naturalmente, la tecnologia richiede che l'immagine catturata debba avere dettagli e consistenza sufficienti o disomogeneità. Possiamo anche migliorare queste texture e dettagli illuminando la scena con un'illuminazione strutturata per migliorare il rilevamento delle caratteristiche e migliorare la qualità della mappa di profondità.

Che cos'è l'imaging a luce strutturata?

L'imaging a luce strutturata è un sofisticato metodo di mappatura della profondità 3D che utilizza una sorgente luminosa per proiettare un motivo su una superficie e quindi cattura la distorsione di quel modello mentre interagisce con la geometria 3D dell'oggetto. Questa tecnica consente di misurare con precisione le dimensioni di un oggetto e di ricostruirne la forma 3D.

Nell'imaging 3D, le telecamere a luce strutturata utilizzano una sorgente luminosa come un laser o un LED per proiettare un modello (di solito una griglia o una serie di strisce). Lo scopo del modello è quello di migliorare la capacità della fotocamera di riconoscere e misurare i cambiamenti nella superficie che illumina. Quando il motivo illumina la superficie di un oggetto, si deforma in base alla forma e alle proprietà spaziali dell'oggetto. Lemodulo fotocamerapuò catturare questi modelli distorti da diverse angolazioni rispetto alla sorgente luminosa.

Come funziona una telecamera a luce strutturata?

L'imaging con telecamera a luce strutturata prevede diversi passaggi, che sono brevemente riassunti di seguito:

• Proiezione del modello: un modello di luce appositamente progettato viene proiettato su un oggetto, che viene quindi deformato per ottenere una mappatura 3D basata sui contorni dell'oggetto.
• Acquisizione immagine: il modello deformato viene catturato dalla fotocamera e i cambiamenti nel modello vengono osservati con una certa angolazione. La profondità dell'oggetto viene dedotta confrontando il modello di luce proiettato noto e l'interazione della luce con la superficie 3D dell'oggetto.
• Triangolazione: la fotocamera utilizza il modello proiettato noto e l'immagine acquisita per calcolare la profondità dell'oggetto mediante triangolazione per creare una mappa 3D dettagliata.

L'accuratezza e la risoluzione dell'imaging a luce strutturata sono influenzate da fattori quali la qualità della sorgente luminosa, la complessità del modello e la capacità della fotocamera di risolvere i dettagli. Questa tecnica è particolarmente efficace in ambienti in cui l'illuminazione è controllata e le caratteristiche superficiali dell'oggetto sono chiaramente visibili.

Che cos'è l'imaging del tempo di volo?

L'imaging Time-of-Flight (ToF) è già stato trattato in un articolo speciale. L'imaging Time-of-Flight (ToF) è una tecnologia con elevata precisione e prestazioni in tempo reale ed è oggi la soluzione preferita per la mappatura 3D della profondità. al centro della tecnologia ToF c'è la sorgente luminosa, che misura il tempo impiegato dal segnale luminoso per propagarsi dalla fotocamera, riflettersi sull'oggetto e tornare al sensore, consentendo di calcolare la distanza dall'oggetto con una precisione sorprendente. Le parti interessate possono fare riferimento all'articolo precedente per uno sguardo approfondito sui principi della tecnologia ToF, nonché sui suoi vantaggi e carenze.

Visione stereoscopica, luce strutturata e imaging a tempo di volo (ToF)

Quando si tratta di imaging 3D, la scelta tra visione stereoscopica, imaging a luce strutturata e tecniche di tempo di volo (ToF) di solito dipende dai requisiti specifici dell'applicazione. Ogni approccio ha i suoi vantaggi e limiti, che esploreremo in dettaglio per aiutarti a capire perché le telecamere ToF sono sempre più riconosciute come la scelta preferita per molte applicazioni di mappatura 3D.

Perché una fotocamera a tempo di volo (ToF) è la scelta migliore per la mappatura 3D?

La precisione è fondamentale per la tecnologia di mappatura 3D. Sopra, abbiamo appreso cos'è l'imaging di profondità 3D, nonché informazioni sul tempo di volo (ToF), la luce strutturata e la visione stereoscopica. Riassumiamo brevemente perché il tempo di volo (ToF) è più adatto per la mappatura 3D.

• Misurazione diretta della profondità:Le telecamere ToF possono misurare direttamente la profondità, semplificando i requisiti di elaborazione dei dati rispetto alla visione stereoscopica o ai sistemi di illuminazione strutturata che si basano su algoritmi complessi per calcolare la profondità in base alla parallasse dell'immagine o alla distorsione del pattern.
• Elevata precisione ed espandibilità:Grazie alle misurazioni ad alta precisione da mm a cm, combinate con un intervallo di profondità espandibile, la telecamera ToF è particolarmente adatta per misurazioni di precisione a diverse distanze.
• Complessità del software:I dati di profondità della telecamera ToF vengono generati direttamente dal sensore, riducendo la necessità di algoritmi. Maggiore efficienza nell'elaborazione dei dati e implementazione più rapida.
• Migliori prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione:Rispetto alla visione stereoscopica che si basa su una sorgente luminosa, le telecamere Tof offrono prestazioni migliori in condizioni di scarsa illuminazione grazie a una fonte di luce attiva e affidabile.
• Design compatto ed efficiente dal punto di vista energetico:A differenza di altri sensori, le telecamere Tof sono più compatte e consumano meno energia. Ideale per dispositivi portatili o alimentati a batteria.
• Elaborazione dei dati in tempo reale:La telecamera Tof acquisisce ed elabora i dati di profondità molto rapidamente, rendendola ideale per applicazioni in tempo reale come la robotica.

Quali applicazioni richiedono telecamere a tempo di volo?

Robot mobili autonomi (AMR):La telecamera Tof fornisce la misurazione della distanza in tempo reale e il rilevamento degli ostacoli, offrendo ad AMR la flessibilità necessaria per navigare in ambienti esterni e interni complessi. Aiuta a pianificare il percorso e a evitare le collisioni, migliorando l'autonomia e l'affidabilità del robot.

Veicoli a guida automatica (AGV):Negli ambienti di magazzino e di produzione, gli AGV dotati di telecamere ToF garantiscono una navigazione affidabile e una movimentazione accurata dei materiali. I dati di profondità forniti da queste telecamere supportano algoritmi avanzati di rilevamento del percorso per ottimizzare la logistica e ridurre l'intervento umano.

Dispositivi anti-spoofing basati sul riconoscimento facciale:Le telecamere ToF nei sistemi di riconoscimento facciale aumentato impediscono l'accesso non autorizzato attraverso lo spoofing del riconoscimento facciale, analizzando dati approfonditi in grado di distinguere tra un volto reale e un tentativo di replicarlo (ad esempio, una maschera o una foto).

Conclusione

Attraverso questo articolo, è chiaro l'importante ruolo delle telecamere a tempo di volo (ToF) nel campo dell'imaging 3D. I vantaggi delle telecamere ToF evidenziano anche il loro potenziale per rivoluzionare i settori che si basano su dati spaziali accurati.
Mentre la visione stereoscopica, l'imaging a luce strutturata e le tecnologie ToF hanno ciascuna i propri meriti, le telecamere ToF si distinguono per la loro capacità di fornire misurazioni di profondità dirette, accurate e scalabili con una complessità software relativamente bassa. Questo li rende ideali per applicazioni in cui velocità, precisione e affidabilità sono fondamentali.

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