a diferença entre o tempo de voo 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 de hoje, 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 de ToF exista desde os anos 90 juntamente com a tecnologia de bloqueio CCD, só nos últimos anos que amadureceu lentamente para atender às exigências rigorosas do mercado profissional.

Neste post, vamos dar uma olhada aprofundada em 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 imagem de visão estéreo e imagem de luz estruturada.

O que é mapeamento de profundidade 3D?

O mapeamento de profundidade 3D, também pode ser chamado de detecção de profundidade ou mapeamento 3D. Trata-se de uma tecnologia de ponta que cria uma representação visual 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 crítico para aplicações que exigem percepção espacial precisa e capacidades de tomada de decisão em tempo real.

no seu núcleo,Mapeamento de profundidade 3Denvolve projetar uma fonte de luz sobre um objeto e, em seguida, utilizar uma câmara 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 plano digital que descreve a distância relativa entre cada elemento da cena e o sensor.

O que é a 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 então usa essas diferentes imagens para calcular as distâncias dos objetos em uma cena. A paralaxe estereofónica 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 retiniana 2D através da paralaxe binocular chama-se estereopsia.

As câmaras de visão estéreo usam esta 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 câmara de visão estéreo?

As câmaras de visão estéreo imitam a técnica do olho humano, que percebe a profundidade através da geometria da triangulação, onde existem vários atributos-chave a serem levados em conta:

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

As câmaras de visão estéreo são particularmente adequadas para aplicações ao ar livre que exigem um grande campo de visão, como sistemas de navegação automática e reconstrução 3D. Naturalmente, a tecnologia exige que a imagem capturada tenha detalhes e textura ou inhomogeneidade suficientes. Também podemos melhorar estas texturas e detalhes iluminando a cena com iluminação estruturada para melhorar a detecção de características e melhorar a qualidade do mapa de profundidade.

O que é a imagem de luz estruturada?

A imagem de luz estruturada é um método sofisticado 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. Esta técnica permite a medição precisa das dimensões de um objeto e a reconstrução de sua forma 3D.

Na imagem 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 propósito do padrão é melhorar a capacidade da câmera de reconhecer e medir mudanças na superfície iluminada. 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 câmarapodem capturar estes padrões distorcidos em ângulos diferentes para a fonte de luz.

Como funciona uma câmara de luz estruturada?

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

• Projeção de padrão: Um padrão de luz projetado especialmente é projetado em um objeto, que é então deformado para obter um mapeamento 3D com base nos contornos do objeto.
• Captura de imagem: O padrão deformado é capturado pela câmera e as alterações no padrão são observadas em um certo 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 resolução da imagem de luz estruturada é afetada por fatores como a qualidade da fonte de luz, a complexidade do padrão e a capacidade da câmera de resolver detalhes. Esta técnica é particularmente eficaz em ambientes onde a iluminação é controlada e as características da superfície do objeto são claramente visíveis.

O que é a Imagem de Tempo de Voo?

A imagem do tempo de voo (ToF) já foi abordada num 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 hoje. No coração da tecnologia ToF está a fonte de luz, que mede o tempo necessário para o sinal de luz se propagar da câmera, refletir do objeto e Os interessados podem consultar o artigo anterior para uma análise aprofundada dos princípios da tecnologia ToF, bem como as suas vantagens e deficiências.

Visão estéreo vs. Luz estruturada vs. Imagem de tempo de voo (ToF)

Quando se trata de imagens 3D, a escolha entre a visão estéreo, a imagem de luz estruturada e as técnicas de tempo de voo (ToF) geralmente depende dos requisitos específicos da aplicação. Cada abordagem tem seus próprios benefícios e limitações, que vamos explorar 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 uma escolha melhor para mapeamento 3D?

A precisão é fundamental para a tecnologia de mapeamento 3D. Acima, aprendemos o que é a 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 da profundidade:As câmeras ToF podem medir a profundidade diretamente, simplificando os requisitos de processamento de dados em comparação com a visão estéreo ou sistemas de luz estruturada que dependem de algoritmos complexos para calcular a profundidade com base na paralaxe da imagem ou na distorção do padrão.
• Alta precisão e expansão:A capacidade de medir com alta precisão de até mm a cm, combinada com uma faixa de profundidade ampliável, torna a câmera ToF adequada para medições de precisão a diferentes distâncias.
• Complexidade do software:Os dados de profundidade da câmera ToF são gerados diretamente do sensor, reduzindo a necessidade de algoritmos. Melhoria da eficiência do processamento de dados e implementação mais rápida.
• Melhor desempenho em condições de pouca luz:Em comparação com a visão estéreo que depende de uma fonte de luz, as câmeras Tof funcionam melhor em condições de pouca luz devido a uma fonte de luz ativa e confiável.
• Projeto compacto e energéticamente eficiente:Ao contrário de outros sensores, as câmeras Tof são mais compactas e consomem menos energia. Ideal para dispositivos portáteis ou alimentados a bateria.
• Processamento de dados em tempo real:A câmara Tof captura e processa dados de profundidade muito rapidamente, tornando-a ideal para aplicações em tempo real, como a robótica.

Que aplicações precisam de câmaras de tempo de voo?

Robôs móveis autônomos (AMR):A câmera Tof fornece medição de distância e detecção de obstáculos em tempo real, dando à AMR a flexibilidade para navegar em ambientes complexos ao ar livre e a quente. Ajuda no planeamento do percurso e na prevenção de colisões, melhorando a autonomia e a fiabilidade do robô.

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

Dispositivos anti-espoofing baseados no reconhecimento facial:As câmeras ToF em sistemas de reconhecimento facial aumentados evitam o acesso não autorizado através da falsificação de reconhecimento facial, analisando dados em profundidade que podem diferenciar entre um rosto real e uma tentativa de replicá-lo (por exemplo, uma máscara ou uma foto).

Conclusão

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

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