A diferença entre o tempo de voo (ToF) e outras câmeras de mapeamento de profundidade 3D

A capacidade de sentir e interagir com o mundo 3D está se tornando cada vez mais importante no cenário tecnológico atual, e uma das mais promissoras é a tecnologia Time-of-Flight (ToF). Esta é uma solução inovadora de mapeamento de profundidade 3D que está ganhando popularidade em áreas não móveis, como automação industrial e varejo. Embora o conceito ToF exista desde a década de 1990, juntamente com a tecnologia CCD de travamento, foi apenas nos últimos anos que ele amadureceu lentamente para atender aos rigorosos requisitos do mercado profissional.

Neste post, veremos em profundidade por que as câmeras ToF estão se tornando cada vez mais populares para mapeamento de profundidade 3D e como elas diferem de outras tecnologias de imagem 3D, como imagens de visão estéreo e imagens de luz estruturada.

O que é mapeamento de profundidade 3D?

Mapeamento de profundidade 3D, também pode ser chamado de detecção de profundidade ou mapeamento 3D. É uma tecnologia de ponta que cria uma representação de visualização 3D de um espaço ou objeto, medindo com precisão a distância entre o sensor e vários pontos do ambiente. Ele rompe as limitações dos dados tradicionais de câmeras 2D e é fundamental para aplicações que exigem percepção espacial precisa e recursos de tomada de decisão em tempo real.

Em sua essência,Mapeamento de profundidade 3Denvolve projetar uma fonte de luz em um objeto e, em seguida, utilizar uma câmera ou sensor para capturar a luz refletida. Os dados capturados são analisados para determinar o atraso de tempo ou desvio de padrão da luz refletida para gerar um mapa de profundidade. Em termos leigos, um mapa de profundidade é um projeto digital que descreve a distância relativa entre cada elemento da cena e o mapeamento de profundidade sensor.3D é a diferença entre uma imagem estática e um mundo interativo dinâmico.

O que é tecnologia de visão estéreo?

A tecnologia de visão estéreo é inspirada na capacidade do olho humano de perceber a profundidade através da visão binocular. A tecnologia utiliza o conceito de paralaxe estéreo para imitar o sistema visual do olho humano, onde cada câmera registra seu campo de visão e usa essas diferentes imagens para calcular as distâncias dos objetos em uma cena. A paralaxe estéreo é a diferença na posição da imagem de um objeto vista pelo olho esquerdo e pelo olho direito. E o processo pelo qual o cérebro extrai informações de profundidade de uma imagem 2D da retina por meio da paralaxe binocular é chamado de estereopsia.

As câmeras de visão estéreo usam essa mesma tecnologia. Eles capturam duas imagens separadas de diferentes pontos de vista (semelhantes ao olho humano) e, em seguida, correlacionam computacionalmente essas imagens para determinar as distâncias dos objetos. Os mapas de profundidade são construídos reconhecendo as características correspondentes nas duas imagens e medindo o deslocamento horizontal ou paralaxe entre essas características. Uma coisa a notar é que quanto maior a paralaxe, mais próximo o objeto está do observador.

Como funciona uma câmera de visão estéreo?

As câmeras de visão estéreo imitam a técnica do olho humano, que percebe a profundidade por meio da geometria da triangulação, onde existem vários atributos-chave a serem levados em consideração:

• Linha de base: a distância entre as duas câmeras, semelhante ao espaçamento da pupila humana (~ 50-75 mm, distância pupilar).
• Resolução: proporcional à profundidade. Sensores de resolução mais alta fornecem mais pixels para analisar a paralaxe, permitindo cálculos de profundidade mais precisos.
• Distância focal: A distância focal é proporcional à profundidade de campo. Afeta a faixa de profundidade e o campo de visão, distância focal curta, amplo campo de visão, mas baixa percepção de profundidade do campo próximo;distância focalé alto, o campo de visão é grande, a observação mais detalhada de objetos no campo próximo.

As câmeras de visão estéreo são particularmente adequadas para aplicações externas que exigem um grande campo de visão, como sistemas de navegação automática e reconstrução 3D. Obviamente, a tecnologia exige que a imagem capturada tenha detalhes e textura suficientes ou falta de homogeneidade. Também podemos aprimorar essas texturas e detalhes iluminando a cena com iluminação estruturada para aprimorar a detecção de recursos e melhorar a qualidade do mapa de profundidade.

O que é imagem de luz estruturada?

A imagem de luz estruturada é um sofisticado método de mapeamento de profundidade 3D que utiliza uma fonte de luz para projetar um padrão em uma superfície e, em seguida, captura a distorção desse padrão à medida que interage com a geometria 3D do objeto. Essa técnica permite a medição precisa das dimensões de um objeto e a reconstrução de sua forma 3D.

Em imagens 3D, as câmeras de luz estruturada usam uma fonte de luz, como um laser ou LED, para projetar um padrão (geralmente uma grade ou série de listras). O objetivo do padrão é aumentar a capacidade da câmera de reconhecer e medir mudanças na superfície que ilumina. Quando o padrão ilumina a superfície de um objeto, ele se deforma de acordo com a forma e as propriedades espaciais do objeto. Omódulo de câmerapode capturar esses padrões distorcidos em diferentes ângulos em relação à fonte de luz.

Como funciona uma câmera de luz estruturada?

A imagem de câmera de luz estruturada envolve várias etapas, que são resumidas brevemente abaixo:

• Projeção de padrões: Um padrão de luz especialmente projetado é projetado em um objeto, que é então deformado para obter mapeamento 3D com base nos contornos do objeto.
• Captura de imagem: O padrão deformado é capturado pela câmera e as mudanças no padrão são observadas em um determinado ângulo. A profundidade do objeto é inferida comparando o padrão de luz projetado conhecido e a interação da luz com a superfície 3D do objeto.
• Triangulação: A câmera usa o padrão projetado conhecido e a imagem capturada para calcular a profundidade do objeto por triangulação para criar um mapa 3D detalhado.

A precisão e a resolução da imagem de luz estruturada são afetadas por fatores como a qualidade da fonte de luz, a complexidade do padrão e a capacidade da câmera de resolver detalhes. Essa técnica é particularmente eficaz em ambientes onde a iluminação é controlada e as características da superfície do objeto são claramente visíveis.

O que é imagem de tempo de voo?

A imagem de tempo de voo (ToF) já foi abordada em um artigo especial. A imagem de tempo de voo (ToF) é uma tecnologia com alta precisão e desempenho em tempo real e é a solução preferida para mapeamento de profundidade 3D atualmente. no centro da tecnologia ToF está a fonte de luz, que mede o tempo que leva para o sinal de luz se propagar da câmera, refletir no objeto e retornar ao sensor, permitindo que a distância até o objeto seja calculada com incrível precisão. As partes interessadas podem consultar o artigo anterior para uma análise aprofundada dos princípios da tecnologia ToF, bem como suas vantagens e deficiências.

Visão estéreo vs. luz estruturada vs. imagens de tempo de voo (ToF)

Quando se trata de imagens 3D, a escolha entre visão estéreo, imagem de luz estruturada e técnicas de tempo de voo (ToF) geralmente depende dos requisitos específicos da aplicação. Cada abordagem tem seus próprios benefícios e limitações, que exploraremos em detalhes para ajudá-lo a entender por que as câmeras ToF estão sendo cada vez mais reconhecidas como a escolha preferida para muitas aplicações de mapeamento 3D.

Por que uma câmera de tempo de voo (ToF) é a melhor escolha para mapeamento 3D?

A precisão é fundamental para a tecnologia de mapeamento 3D. Acima, aprendemos o que é imagem de profundidade 3D, bem como informações sobre tempo de voo (ToF), luz estruturada e visão estéreo. Vamos resumir brevemente por que o tempo de voo (ToF) é mais adequado para mapeamento 3D.

• Medição direta de profundidade:As câmeras ToF podem medir a profundidade diretamente, simplificando os requisitos de processamento de dados em comparação com sistemas de visão estéreo ou luz estruturada que dependem de algoritmos complexos para calcular a profundidade com base na paralaxe da imagem ou distorção de padrão.
• Alta precisão e capacidade de expansão:O fornecimento de medições de alta precisão de até mm a cm, combinado com uma faixa de profundidade expansível, torna a câmera ToF adequada para medições de precisão em diferentes distâncias.
• Complexidade do software:Os dados de profundidade da câmera ToF são gerados diretamente do sensor, reduzindo a necessidade de algoritmos. Maior eficiência no processamento de dados e implementação mais rápida.
• Melhor desempenho com pouca luz:Em comparação com a visão estéreo que depende de uma fonte de luz, as câmeras Tof têm melhor desempenho em condições de pouca luz devido a uma fonte de luz ativa e confiável.
• Design compacto e energeticamente eficiente:Ao contrário de outros sensores, as câmeras Tof são mais compactas e consomem menos energia. Ideal para dispositivos portáteis ou alimentados por bateria.
• Processamento de dados em tempo real:A câmera Tof captura e processa dados de profundidade muito rapidamente, tornando-a ideal para aplicações em tempo real, como robótica.

Quais aplicativos precisam de câmeras de tempo de voo?

Robôs Móveis Autônomos (AMR):A câmera Tof fornece medição de distância em tempo real e detecção de obstáculos, dando à AMR a flexibilidade de navegar em ambientes internos e externos complexos. Ajuda no planejamento de caminhos e prevenção de colisões, melhorando a autonomia e a confiabilidade do robô.

Veículos guiados automatizados (AGVs):Em ambientes de armazém e fabricação, os AGVs equipados com câmeras ToF garantem navegação confiável e manuseio preciso de materiais. Os dados de profundidade fornecidos por essas câmeras suportam algoritmos avançados de localização de caminhos para otimizar a logística e reduzir a intervenção humana.

Dispositivos anti-falsificação baseados em reconhecimento facial:As câmeras ToF em sistemas de reconhecimento facial aumentado impedem o acesso não autorizado por meio de falsificação de reconhecimento facial, analisando dados detalhados que podem diferenciar entre um rosto real e uma tentativa de replicá-lo (por exemplo, uma máscara ou foto).

Conclusão

Através deste artigo, fica claro o importante papel das câmeras de tempo de voo (ToF) no campo da imagem 3D. Os benefícios das câmeras ToF também destacam seu potencial para revolucionar as indústrias que dependem de dados espaciais precisos.
Embora a visão estéreo, a imagem de luz estruturada e as tecnologias ToF tenham seus próprios méritos entre elas, as câmeras ToF se destacam por sua capacidade de fornecer medições de profundidade diretas, precisas e escaláveis com complexidade de software relativamente baixa. Isso os torna ideais para aplicações onde velocidade, precisão e confiabilidade são críticas.

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