Основные технологии 3D-датчиков

Наша предыдущая статья под названием «Системы трехмерного зрения — какая из них подходит именно вам?» рассмотрены наиболее важные параметры систем 3D-зрения и каковы компромиссы некоторых параметров, если они довольно высоки . Обсуждаемые параметры включали объем сканирования, время сбора и обработки данных, разрешение, точность и прецизионность, надежность, дизайн и возможности подключения, а также соотношение цены и качества.

Каждый из этих параметров играет свою роль в конкретных приложениях – где один параметр является ключевым, другой может быть второстепенным и наоборот.

Мы обратимся к этим параметрам для лучшего сравнения отдельных технологий, лежащих в основе систем трехмерного зрения, и возможностей, которые они предоставляют.

Технологии 3D-датчиков

Технологии, лежащие в основе систем трехмерного зрения, можно разделить на две основные группы. . Один использует время пролета принцип, а другой принцип триангуляции :

А. Время полета

• Сканирование области
• Лидар

Б. Методы на основе триангуляции

• Лазерная триангуляция (или профилометрия)
• Фотограмметрия
• Стереовидение (пассивное и активное)
• Структурированный свет (один кадр, несколько кадров)
• Новая технология "параллельного структурированного света"

В этой статье будут рассмотрены основные различия между этими методами. Затем он сосредоточится на одном важном аспекте, с которым все они борются, и ни один из них не может решить его удовлетворительно, кроме одного. Этот аспект заключается в высококачественном захвате данных сцен в движении. . Существует одна единственная новая технология, позволяющая сканировать область снимка быстро движущихся объектов с высоким качеством, что устраняет необходимость компромисса между качеством и скоростью . Этот метод описан в конце этой статьи. Но давайте пошагово.

Время пролета (ToF)

Системы ToF основаны на измерении времени, в течение которого световой сигнал, излучаемый источником света, попадает на сканируемый объект и возвращается обратно к датчику. . Хотя скорость сканирования относительно высока, ограничением является сама скорость света. Даже небольшая ошибка в вычислении момента падения света может привести к погрешности измерения от миллиметров до сантиметров. Другое ограничение заключается в том, что эти датчики обеспечивают относительно низкое разрешение.

Существует два отличительных метода, использующих подход ToF:LiDAR и зондирование области.

Лидар

Системы LiDAR отбирают одну (или несколько) трехмерных точек за раз . Во время сканирования они меняют положение или ориентацию датчика для сканирования всего рабочего объема.

Распознавание области ToF

Системы ToF, основанные на зональном сканировании, используют специальный датчик изображения для измерения времени для нескольких измерений в 2D-моментальном снимке. . Они не обеспечивают такого высокого качества данных, как системы LiDAR, но хорошо подходят для динамических приложений, которым достаточно низкого разрешения. . Особым недостатком этого метода являются взаимные отражения между частями сцены, которые могут привести к неправильным измерениям.

Системы ToF довольно популярны из-за привлекательной цены потребительских устройств, в первую очередь предназначенных для взаимодействия человека с компьютером.

Методы на основе триангуляции

Системы на основе триангуляции наблюдают сцены с двух точек зрения, которые образуют базовую линию. Базовая линия и проверяемая точка образуют треугольник. Измерив углы этого треугольника, мы можем вычислить точные 3D-координаты . Длина базовой линии и точность получения углов сильно влияют на точность системы.

Лазерная триангуляция =профилометрия

Лазерная триангуляция — один из самых популярных методов 3D-зондирования. Он проецирует узкую полосу света (или точку) на трехмерную поверхность, что создает линию освещения, которая будет выглядеть искаженной под углом, отличным от угла проектора . Это отклонение кодирует информацию о глубине.

Поскольку он захватывает один профиль за раз, либо датчик, либо объект должны двигаться, либо лазерный профиль должен сканировать сцену, чтобы сделать снимок целиком.

Чтобы реконструировать глубину для одного профиля, этот метод требует захвата изображения сканирования узкой области, при этом его размер ограничивает частоту кадров и, следовательно, также скорость сканирования. Кроме того, расчет глубины может быть довольно сложным, поскольку он основан на поиске максимумов интенсивности в захваченных 2D-изображениях, что само по себе является сложной задачей.

Фотограмметрия

Фотограмметрия — это метод, вычисляющий 3D-реконструкцию объекта на основе большого количества незарегистрированных 2D-изображений. . Подобно стереозрению, он опирается на текстуру объекта, но может извлечь выгоду из нескольких образцов одной и той же точки с высокой базовой линией. Фотограмметрию можно использовать как альтернативу лидарным системам.

Стереовидение

Стереозрение основано на расчете треугольника:камера — сканируемый объект — камера, имитирующем восприятие глубины человеком.

Стандартное стерео ищет корреляции между двумя изображениями (у них должна быть текстура/идентичные детали) и на основе несоответствия определяет расстояние (глубину) от объекта. Из-за этой зависимости от материала объекта пассивное 3D-стерео используется для приложений, которые ничего не измеряют, например, для подсчета людей.

Чтобы компенсировать этот недостаток, активное стерео была разработана система технического зрения. Этот методпроецирует световой узор на поверхность для создания искусственной текстуры на поверхности и соответствий в сцене . Однако идентификация соответствий и измерение одной точки глубины требует нескольких соседних пикселей, что приводит к небольшому количеству измеренных точек с более низкой надежностью.

Расчет глубины основан на анализе соответствий между парой стереоизображений, сложность которых возрастает с увеличением размера окна сопоставления и диапазона глубин. Чтобы соответствовать строгим требованиям времени обработки, качество реконструкции часто снижается, что делает метод непригодным для некоторых приложений.

Структурированный свет

Другой метод, также относящийся к триангуляционным подходам, освещает сканируемый объект так называемым структурированным светом. Треугольник охватывает проектор, сканируемый объект и камеру . Поскольку этот метод позволяет захватывать весь 3D-снимок сцены без необходимости перемещения каких-либо частей, технология структурированного света обеспечивает высокий уровень производительности и гибкости. .

Сложные методы проецирования используются для создания закодированного структурированного шаблона, который кодирует трехмерную информацию непосредственно в сцене. . Затем эта информация анализируется камерой и внутренними алгоритмами, обеспечивая высокий уровень точности и разрешения. .

Доступные на рынке системы структурированного освещения с более высоким разрешением используют несколько кадров сцены, каждый из которых имеет свой проецируемый структурированный рисунок. Это обеспечивает высокую точность попиксельной 3D-информации, но требует статической сцены на момент приобретения.

Один из самых больших недостатков проекционных подходов — это глубина резкости (или диапазон глубины). Чтобы проектор оставался сфокусированным, системе требуется узкая апертура. Это оптически неэффективно, так как заблокированный свет создает дополнительное тепло и внутренние отражения в проекционной системе. Этоограничивает использование этой технологии для более высоких диапазонов глубины. .

Photoneo решила эту проблему с помощью лазера, создающего структурированные узоры. Системы Photoneo обеспечивают практически неограниченный диапазон глубины , а также возможность использовать узкополосные фильтры для блокировки окружающего света. .

Для движущегося приложения необходимо использовать однокадровый подход . Обычный метод заключается в кодировании отличительных особенностей многокадровых систем в один структурированный шаблон, сильно влияющий на разрешение по осям XY и Z. Подобно системам ToF, в этой категории доступны потребительские продукты.

Параллельный структурированный свет

Существует только один метод, способный преодолеть ограничения сканирования движущихся сцен. .

новая запатентованная технология Параллельный структурированный свет <сильный> был разработан Photoneo и позволяет захватывать объекты в движении в высоком качестве . Метод использует структурированный свет в сочетании с запатентованным датчиком изображения CMOS с мозаичным затвором.

В то время как метод структурированного света последовательно фиксирует закодированные проектором узоры, технология параллельного структурированного света захватывает несколько изображений структурированного света параллельно. – это изменение правил игры фактор. Поскольку для получения изображения 3D-поверхности требуется несколько кадров, результаты сканирования движущегося объекта с помощью метода структурированного света будут искажены. Технология параллельного структурированного света захватывает динамическую сцену, реконструируя ее трехмерное изображение по одному снимку сенсора .

Специальный сенсор состоит из блоков суперпикселей, которые далее делятся на субпиксели. Лазер, исходящий от проектора структурированного света, включен все время, в то время как экспозиция отдельных пикселей включается и выключается закодированным образом. Таким образом, есть одна проекция и одно захваченное изображение, но это изображение содержит несколько субизображений, каждое из которых виртуально освещено другим световым узором.

Результат очень похож на результат нескольких изображений с течением времени, с той разницей, что этот новый метод получает их одновременно =вот почему «Параллельный структурированный свет». Еще одним преимуществом этого метода является возможность переключения датчика в последовательный режим и получения полного 2-мегапиксельного разрешения с метрологическим качеством.

Технология параллельного структурированного света таким образом предлагает высокое разрешение систем структурированного освещения с несколькими кадрами и быстрого получения данных за один кадр систем ToF.

Компания Photoneo внедрила эту технологию в свою 3D-камеру MotionCam-3D. , тем самым разработав 3D-камеру с площадным сканированием самого высокого разрешения и самой высокой точности, способную снимать объекты в движении. .

Заключение

В этой статье представлено множество методов 3D-зрения и объяснены их конкретные преимущества и недостатки. Большинство современных 3D-методов идут на компромисс между качеством и скоростью либо из-за сложного процесса сбора данных, либо из-за сложной обработки данных. Единственная технология, которая одновременно обеспечивает качество и скорость, — это параллельный структурированный свет, основанный на оригинальном CMOS-сенсоре Photoneo. Этот новый метод расширяет диапазон возможных применений и позволяет автоматизировать то, что раньше было невозможно.