Różnica między czasem lotu (ToF) a innymi kamerami do mapowania głębi 3D

Zdolność do wyczuwania i interakcji ze światem 3D staje się coraz ważniejsza w dzisiejszym krajobrazie technologicznym, a jedną z najbardziej obiecujących jest technologia Time-of-Flight (ToF). Jest to przełomowe rozwiązanie do mapowania głębi 3D, które zyskuje na popularności w obszarach niemobilnych, takich jak automatyka przemysłowa i handel detaliczny. Chociaż koncepcja ToF istnieje od 1990 roku wraz z technologią blokowania CCD, dopiero w ciągu ostatnich kilku lat powoli dojrzała, aby sprostać rygorystycznym wymaganiom rynku profesjonalnego.

W tym poście przyjrzymy się dogłębnie, dlaczego kamery ToF stają się coraz bardziej popularne do mapowania głębi 3D i czym różnią się od innych technologii obrazowania 3D, takich jak obrazowanie stereoskopowe i obrazowanie światłem strukturalnym.

Co to jest mapowanie głębi 3D?

Mapowanie głębi 3D może być również nazywane wykrywaniem głębi lub mapowaniem 3D. Jest to najnowocześniejsza technologia, która tworzy reprezentację widoku 3D przestrzeni lub obiektu poprzez dokładny pomiar odległości między czujnikiem a różnymi punktami w otoczeniu. Przełamuje ograniczenia tradycyjnych danych z kamer 2D i ma kluczowe znaczenie dla aplikacji, które wymagają dokładnej orientacji przestrzennej i możliwości podejmowania decyzji w czasie rzeczywistym.

W swej istocieMapowanie głębi 3Dpolega na projekcji źródła światła na obiekt, a następnie wykorzystaniu kamery lub czujnika do uchwycenia odbitego światła. Przechwycone dane są analizowane w celu określenia opóźnienia czasowego lub odchylenia wzoru odbitego światła w celu wygenerowania mapy głębokości. Mówiąc prościej, mapa głębi to cyfrowy plan, który opisuje względną odległość między każdym elementem sceny a mapowaniem głębi sensor.3D jest to różnica między statycznym obrazem a dynamicznym interaktywnym światem.

Co to jest technologia widzenia stereo?

Technologia widzenia stereo jest inspirowana zdolnością ludzkiego oka do postrzegania głębi za pomocą widzenia obuocznego. Technologia wykorzystuje koncepcję paralaksy stereo do naśladowania układu wzrokowego ludzkiego oka, w którym każda kamera rejestruje swoje pole widzenia, a następnie wykorzystuje te różne obrazy do obliczania odległości obiektów w scenie. Paralaksa stereo to różnica w położeniu obrazu obiektu widzianego przez lewe oko i prawe oko. Proces, w którym mózg wydobywa informacje o głębokości z obrazu siatkówki 2D za pomocą paralaksy obuocznej, nazywa się stereopsją.

Kamery stereowizyjne wykorzystują właśnie tę technologię. Rejestrują dwa oddzielne obrazy z różnych punktów widzenia (podobnie jak ludzkie oko), a następnie obliczeniowo korelują te obrazy w celu określenia odległości od obiektów. Mapy głębi są konstruowane poprzez rozpoznanie odpowiednich obiektów na dwóch obrazach i zmierzenie przemieszczenia poziomego lub paralaksy między tymi obiektami. Należy zauważyć, że im większa paralaksa, tym bliżej obserwatora znajduje się obiekt.

Jak działa kamera stereowizyjna?

Kamery stereoskopowe naśladują technikę ludzkiego oka, które postrzega głębię poprzez geometrię triangulacji, w której należy wziąć pod uwagę kilka kluczowych atrybutów:

• Linia bazowa: odległość między dwiema kamerami, podobna do rozstawu źrenic człowieka (~50-75 mm, rozstaw źrenic).
• Rozdzielczość: proporcjonalna do głębokości. Czujniki o wyższej rozdzielczości zapewniają więcej pikseli do analizy paralaksy, co pozwala na dokładniejsze obliczenia głębokości.
• Ogniskowa: Ogniskowa jest proporcjonalna do głębi ostrości. Wpływają na zakres głębi i pole widzenia, krótką ogniskową, szerokie pole widzenia, ale słabą percepcję głębi bliskiego pola;ogniskowajest wysoka, pole widzenia jest duże, tym bardziej szczegółowa obserwacja obiektów w bliskim polu.

Kamery stereowizyjne nadają się szczególnie do zastosowań zewnętrznych, które wymagają dużego pola widzenia, takich jak automatyczne systemy nawigacji i rekonstrukcja 3D. Oczywiście technologia wymaga, aby przechwycony obraz miał wystarczającą szczegółowość i teksturę lub niejednorodność. Możemy również uwydatnić te tekstury i szczegóły, oświetlając scenę oświetleniem strukturalnym, aby poprawić wykrywanie obiektów i jakość mapy głębi.

Co to jest obrazowanie światłem strukturalnym?

Obrazowanie w świetle strukturalnym to zaawansowana metoda mapowania głębi 3D, która wykorzystuje źródło światła do rzutowania wzoru na powierzchnię, a następnie przechwytuje zniekształcenia tego wzoru podczas interakcji z geometrią 3D obiektu. Technika ta pozwala na dokładny pomiar wymiarów obiektu i rekonstrukcję jego kształtu 3D.

W obrazowaniu 3D kamery ze światłem strukturalnym wykorzystują źródło światła, takie jak laser lub dioda LED, do projekcji wzoru (zwykle siatki lub serii pasków). Celem wzoru jest zwiększenie zdolności kamery do rozpoznawania i mierzenia zmian na oświetlanej powierzchni. Gdy wzór oświetla powierzchnię obiektu, odkształca się zgodnie z kształtem i właściwościami przestrzennymi obiektu. TenModuł kamerymoże uchwycić te zniekształcone wzory pod różnymi kątami do źródła światła.

Jak działa kamera ze światłem strukturalnym?

Obrazowanie kamerą w świetle strukturalnym składa się z kilku etapów, które zostały pokrótce podsumowane poniżej:

• Projekcja wzoru: Specjalnie zaprojektowany wzór świetlny jest rzutowany na obiekt, który jest następnie deformowany w celu uzyskania mapowania 3D na podstawie konturów obiektu.
• Przechwytywanie obrazu: Zdeformowany wzór jest rejestrowany przez kamerę, a zmiany we wzorze są obserwowane pod pewnym kątem. Głębokość obiektu jest określana przez porównanie znanego rzutowanego wzoru światła i interakcji światła z powierzchnią 3D obiektu.
• Triangulacja: Kamera wykorzystuje znany rzutowany wzór i przechwycony obraz do obliczenia głębokości obiektu za pomocą triangulacji w celu stworzenia szczegółowej mapy 3D.

Na dokładność i rozdzielczość obrazowania w świetle strukturalnym mają wpływ takie czynniki, jak jakość źródła światła, złożoność wzoru i zdolność aparatu do rozpoznawania szczegółów. Technika ta jest szczególnie skuteczna w środowiskach, w których oświetlenie jest kontrolowane, a cechy powierzchni obiektu są wyraźnie widoczne.

Co to jest obrazowanie czasu przelotu?

Obrazowanie czasu przelotu (ToF) zostało już omówione w specjalnym artykule. Obrazowanie czasu przelotu (ToF) to technologia o wysokiej dokładności i wydajności w czasie rzeczywistym, która jest obecnie preferowanym rozwiązaniem do mapowania głębi 3D. sercem technologii ToF jest źródło światła, które mierzy czas potrzebny na rozchodzenie się sygnału świetlnego z kamery, odbicie się od obiektu i powrót do czujnika, co pozwala na obliczenie odległości do obiektu z zadziwiającą dokładnością. Zainteresowani mogą zapoznać się z poprzednim artykułem, aby dogłębnie przyjrzeć się zasadom technologii ToF, a także jej zaletom i wadom.

Widzenie stereoskopowe a światło strukturalne a obrazowanie czasu przelotu (ToF)

Jeśli chodzi o obrazowanie 3D, wybór między widzeniem stereo, obrazowaniem światłem strukturalnym i technikami czasu przelotu (ToF) zwykle zależy od konkretnych wymagań aplikacji. Każde podejście ma swoje zalety i ograniczenia, które szczegółowo omówimy, aby pomóc Ci zrozumieć, dlaczego kamery ToF są coraz częściej uznawane za preferowany wybór dla wielu aplikacji do mapowania 3D.

Dlaczego kamera czasu przelotu (ToF) jest lepszym wyborem do mapowania 3D?

Dokładność ma kluczowe znaczenie dla technologii mapowania 3D. Powyżej dowiedzieliśmy się, czym jest obrazowanie głębi 3D, a także uzyskaliśmy informacje na temat czasu przelotu (ToF), światła strukturalnego i widzenia stereo. Podsumujmy pokrótce, dlaczego time-of-flight (ToF) lepiej nadaje się do mapowania 3D.

• Bezpośredni pomiar głębokości:Kamery ToF mogą mierzyć głębię bezpośrednio, upraszczając wymagania dotyczące przetwarzania danych w porównaniu z systemami widzenia stereoskopowego lub światłem strukturalnym, które opierają się na złożonych algorytmach do obliczania głębi na podstawie paralaksy obrazu lub zniekształcenia wzoru.
• Wysoka dokładność i możliwość rozbudowy:Zapewnienie wysokiej dokładności pomiarów od mm do cm, w połączeniu z rozszerzalnym zakresem głębokości, sprawia, że kamera ToF doskonale nadaje się do precyzyjnych pomiarów na różnych odległościach.
• Złożoność oprogramowania:Dane o głębokości kamery ToF są generowane bezpośrednio z czujnika, co zmniejsza potrzebę stosowania algorytmów. Poprawa wydajności przetwarzania danych i szybsze wdrożenie.
• Lepsza wydajność przy słabym oświetleniu:W porównaniu z widzeniem stereoskopowym, które opiera się na źródle światła, kamery Tof działają lepiej w warunkach słabego oświetlenia dzięki aktywnemu i niezawodnemu źródłu światła.
• Kompaktowa i energooszczędna konstrukcja:W przeciwieństwie do innych czujników, kamery Tof są bardziej kompaktowe i zużywają mniej energii. Idealny do urządzeń przenośnych lub zasilanych bateryjnie.
• Przetwarzanie danych w czasie rzeczywistym:Kamera Tof bardzo szybko rejestruje i przetwarza dane o głębokości, dzięki czemu idealnie nadaje się do zastosowań w czasie rzeczywistym, takich jak robotyka.

Jakie aplikacje wymagają kamer do pomiaru czasu przelotu?

Autonomiczne roboty mobilne (AMR):Kamera Tof zapewnia pomiar odległości w czasie rzeczywistym i wykrywanie przeszkód, zapewniając robotowi AMR elastyczność w nawigacji w złożonych środowiskach zewnętrznych i wewnętrznych. Pomaga w planowaniu trasy i unikaniu kolizji, poprawiając autonomię i niezawodność robota.

Pojazdy sterowane automatycznie (AGV):W środowiskach magazynowych i produkcyjnych pojazdy AGV wyposażone w kamery ToF zapewniają niezawodną nawigację i dokładną obsługę materiałów. Dane o głębokości dostarczane przez te kamery wspierają zaawansowane algorytmy znajdowania ścieżki w celu optymalizacji logistyki i zmniejszenia interwencji człowieka.

Urządzenia antyspoofingowe oparte na rozpoznawaniu twarzy:Kamery ToF w rozszerzonych systemach rozpoznawania twarzy zapobiegają nieautoryzowanemu dostępowi poprzez podszywanie się pod rozpoznawanie twarzy, analizując dogłębne dane, które mogą odróżnić prawdziwą twarz od próby jej odtworzenia (np. maski lub zdjęcia).

Konkluzja

Dzięki temu artykułowi wyraźnie widać ważną rolę kamer Time-of-Flight (ToF) w dziedzinie obrazowania 3D. Korzyści płynące z kamer ToF podkreślają również ich potencjał do zrewolucjonizowania branż, które polegają na dokładnych danych przestrzennych.
Podczas gdy widzenie stereoskopowe, obrazowanie światłem strukturalnym i technologie ToF mają swoje zalety, kamery ToF wyróżniają się zdolnością do zapewniania bezpośrednich, dokładnych i skalowalnych pomiarów głębokości przy stosunkowo niskiej złożoności oprogramowania. To sprawia, że idealnie nadają się do zastosowań, w których szybkość, dokładność i niezawodność mają kluczowe znaczenie.

Dzięki ponad dziesięcioletniemu doświadczeniu w branży w dostarczaniu i dostosowywaniuKamery OEM, Sinoseen może dostarczyć Ci najbardziej wyspecjalizowane rozwiązania do obrazowania dla Twojego modułu kamery. Niezależnie od tego, czy jest to interfejs MIPI, USB, dvp czy MIPI csi-2, Sinoseen zawsze ma rozwiązanie dla Twojej satysfakcji, skontaktuj się z nami, jeśli czegoś potrzebujesz.