Разница между временем полета (ToF) и другими 3D-камерами для картографирования глубины

Способность ощущать и взаимодействовать с 3D-миром становится все более важной в современном технологическом ландшафте, и одной из наиболее перспективных является технология Time-of-Flight (ToF). Это прорывное решение для 3D-картографирования глубины, которое набирает популярность в немобильных сферах, таких как промышленная автоматизация и розничная торговля. Несмотря на то, что концепция ToF существует с 1990-х годов вместе с технологией блокировки CCD, только в последние несколько лет она медленно созрела, чтобы соответствовать строгим требованиям профессионального рынка.

В этой статье мы подробно рассмотрим, почему ToF-камеры становятся все более популярными для 3D-картографирования глубины и чем они отличаются от других технологий 3D-визуализации, таких как стереовизуальная визуализация и структурированная световая визуализация.

Что такое 3D-картографирование глубины?

3D-картографирование глубины, также может называться зондированием глубины или 3D-картографированием. Это передовая технология, которая создает 3D-представление пространства или объекта путем точного измерения расстояния между датчиком и различными точками окружающей среды. Он преодолевает ограничения традиционных данных 2D-камер и имеет решающее значение для приложений, требующих точного пространственного восприятия и возможности принятия решений в режиме реального времени.

По своей сути,3D-картографирование глубинывключает в себя проецирование источника света на объект, а затем использование камеры или датчика для захвата отраженного света. Захваченные данные анализируются для определения временной задержки или отклонения отраженного света для создания карты глубины. Говоря простым языком, карта глубины — это цифровой чертеж, который описывает относительное расстояние между каждым элементом сцены, а sensor.3D карта глубины — это разница между статичным изображением и динамическим интерактивным миром.

Что такое технология стереозрения?

Технология стереозрения основана на способности человеческого глаза воспринимать глубину с помощью бинокулярного зрения. Технология использует концепцию стереопараллакса для имитации зрительной системы человеческого глаза, где каждая камера записывает свое поле зрения, а затем использует эти различные изображения для вычисления расстояний до объектов в сцене. Стереопараллакс — это разница в положении изображения объекта, видимого левым и правым глазом. А процесс, с помощью которого мозг извлекает информацию о глубине из двухмерного изображения сетчатки через бинокулярный параллакс, называется стереопсисом.

Камеры стереовидения используют именно эту технологию. Они захватывают два отдельных изображения с разных точек зрения (подобно человеческому глазу), а затем вычислительно соотносят эти изображения для определения расстояний до объектов. Карты глубины строятся путем распознавания соответствующих объектов на двух изображениях и измерения горизонтального смещения или параллакса между этими объектами. Следует отметить, что чем больше параллакс, тем ближе объект к наблюдателю.

Как работает стереовизионная камера?

Стереокамеры имитируют технику человеческого глаза, который воспринимает глубину через геометрию триангуляции, где необходимо учитывать несколько ключевых характеристик:

• Базовый уровень: расстояние между двумя камерами, аналогичное расстоянию зрачков человека (~50-75 мм, межзрачковое расстояние).
• Разрешение: пропорционально глубине. Датчики с более высоким разрешением предоставляют больше пикселей для анализа параллакса, что позволяет более точно рассчитывать глубину.
• Фокусное расстояние: фокусное расстояние пропорционально глубине резкости. Влияют диапазон глубины и поля зрения, короткое фокусное расстояние, широкое поле зрения, но плохое восприятие глубины ближнего поля;фокусное расстояниечем выше, тем больше поле зрения большое, чем детальнее наблюдение за объектами в ближней зоне.

Стереокамеры особенно подходят для наружных применений, требующих большого поля зрения, таких как автоматические навигационные системы и 3D-реконструкция. Конечно, технология требует, чтобы отснятое изображение обладало достаточной детализацией и текстурой или неоднородностью. Мы также можем улучшить эти текстуры и детали, освещая сцену структурированным освещением, чтобы улучшить обнаружение объектов и улучшить качество карты глубины.

Что такое визуализация в структурированном свете?

Визуализация структурированным светом — это сложный метод 3D-картографирования глубины, при котором источник света проецирует узор на поверхность, а затем фиксирует искажения этого рисунка при его взаимодействии с 3D-геометрией объекта. Этот метод позволяет точно измерить размеры объекта и воссоздать его 3D-форму.

При 3D-визуализации камеры со структурированным светом используют источник света, такой как лазер или светодиод, для проецирования узора (обычно сетки или серии полос). Цель шаблона — улучшить способность камеры распознавать и измерять изменения на поверхности, которую она освещает. Когда узор освещает поверхность объекта, он деформируется в соответствии с формой и пространственными свойствами объекта. ТемМодуль камерыможет захватывать эти искаженные узоры под разными углами к источнику света.

Как работает камера со структурированным светом?

Визуализация с камеры в структурированном свете включает в себя несколько этапов, которые кратко описаны ниже:

• Проекция узора: Специально разработанный световой шаблон проецируется на объект, который затем деформируется для получения 3D-отображения на основе контуров объекта.
• Захват изображения: Деформированный узор фиксируется камерой, и изменения в узоре наблюдаются под определенным углом. Глубина объекта определяется путем сравнения известного проецируемого светового шаблона и взаимодействия света с 3D-поверхностью объекта.
• Триангуляция: Камера использует известный шаблон проекции и захваченное изображение для вычисления глубины объекта с помощью триангуляции для создания подробной 3D-карты.

На точность и разрешение изображения структурированного света влияют такие факторы, как качество источника света, сложность рисунка и способность камеры разрешать детали. Этот метод особенно эффективен в условиях, где освещение контролируется и особенности поверхности объекта хорошо видны.

Что такое времяпролетная визуализация?

Времяпролетная съемка (ToF) уже была рассмотрена в специальной статье. Времяпролетная (ToF) визуализация — это технология с высокой точностью и производительностью в режиме реального времени, которая на сегодняшний день является предпочтительным решением для 3D-картографирования глубины. В основе технологии ToF лежит источник света, который измеряет время, необходимое для распространения светового сигнала от камеры, отражения от объекта и возвращения к датчику, что позволяет рассчитать расстояние до объекта с удивительной точностью. Заинтересованные стороны могут обратиться к предыдущей статье для углубленного изучения принципов технологии ToF, а также ее преимуществ и недостатков.

Стереозрение в сравнении со структурированным светом и времяпролетная визуализация (ToF)

Когда дело доходит до 3D-визуализации, выбор между стереозрением, визуализацией со структурированным светом и времяпролетными методами (ToF) обычно зависит от конкретных требований приложения. Каждый подход имеет свои преимущества и ограничения, которые мы подробно рассмотрим, чтобы помочь вам понять, почему ToF-камеры все чаще признаются предпочтительным выбором для многих приложений для 3D-картографирования.

Почему времяпролетная камера (ToF) является лучшим выбором для 3D-картографирования?

Точность имеет решающее значение для технологии 3D-картографирования. Выше мы узнали, что такое 3D-визуализация глубины, а также информацию о времени пролета (ToF), структурированном свете и стереозрении. Давайте кратко обобщим, почему времяпролетное время (ToF) лучше подходит для 3D-картографирования.

• Прямое измерение глубины:Времяпролетные камеры могут измерять глубину напрямую, упрощая требования к обработке данных по сравнению со стереосистемами машинного зрения или структурированного освещения, которые полагаются на сложные алгоритмы для вычисления глубины на основе параллакса изображения или искажения изображения.
• Высокая точность и расширяемость:Обеспечение высокой точности измерений с точностью до мм до см в сочетании с расширяемым диапазоном глубины делает ToF-камеру хорошо подходящей для точных измерений на различных расстояниях.
• Сложность программного обеспечения:Данные о глубине ToF-камеры генерируются непосредственно с датчика, что снижает потребность в алгоритмах. Повышенная эффективность обработки данных и более быстрое внедрение.
• Улучшенная производительность при слабом освещении:По сравнению со стереозрением, которое зависит от источника света, камеры Tof лучше работают в условиях низкой освещенности благодаря активному и надежному источнику света.
• Компактная и энергоэффективная конструкция:В отличие от других сенсоров, камеры Tof более компактны и потребляют меньше энергии. Идеально подходит для портативных устройств или устройств с питанием от батареек.
• Обработка данных в режиме реального времени:Камера Tof очень быстро захватывает и обрабатывает данные о глубине, что делает ее идеальной для приложений реального времени, таких как робототехника.

Для каких областей применения требуются времяпролетные камеры?

Автономные мобильные роботы (AMR):Камера Tof обеспечивает измерение расстояния в режиме реального времени и обнаружение препятствий, что дает AMR гибкость для навигации в сложных условиях на открытом воздухе и в помещении. Помогает планировать траекторию движения и предотвращать столкновения, повышая автономность и надежность робота.

Автоматизированные управляемые транспортные средства (AGV):На складах и производстве БТС, оснащенные ToF-камерами, обеспечивают надежную навигацию и точную обработку материалов. Данные о глубине, предоставляемые этими камерами, поддерживают передовые алгоритмы поиска пути для оптимизации логистики и сокращения вмешательства человека.

Устройства для защиты от спуфинга на основе распознавания лиц:Времяпролетные камеры в системах дополненного распознавания лиц предотвращают несанкционированный доступ с помощью подмены распознавания лиц, анализируя подробные данные, которые могут отличить реальное лицо от попытки его воспроизведения (например, маски или фотографии).

Заключение

Из этой статьи ясно видно важную роль времяпролетных камер (ToF) в области 3D-визуализации. Преимущества времяпролетных камер также подчеркивают их потенциал для революции в отраслях, которые полагаются на точные пространственные данные.
В то время как стереозрение, визуализация структурированного света и технологии ToF имеют свои собственные достоинства, ToF-камеры выделяются своей способностью обеспечивать прямые, точные и масштабируемые измерения глубины при относительно низкой сложности программного обеспечения. Это делает их идеальными для областей применения, где скорость, точность и надежность имеют решающее значение.

С более чем десятилетним опытом работы в отрасли в области поставок и кастомизацииШтатные камеры, Sinoseen может предоставить вам самые специализированные решения для обработки изображений для вашего модуля камеры. Будь то интерфейс MIPI, USB, dvp или MIPI csi-2, у Sinoseen всегда есть решение для вашего удовлетворения, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам, если вам что-то нужно.