Tradiční 2D kamery vidí pouze plochý, dvourozměrný svět. Mohou rozpoznat tvar a barvu objektů, ale nemohou pochopit jejich polohu, velikost nebo vzdálenost ve vesmíru. To omezuje schopnosti mnoha pokročilých aplikací pro robotiku a automatizaci. Změnil to vznik hloubkových kamer. Poskytují strojům novou „trojrozměrnou“ vnímání, což umožňuje systémům porozumět prostoru podobnému lidem, otevírat obrovský aplikační prostor pro zabudované vidění a 3D vnímání.
Jako konzultant specializující se na moduly fotoaparátu bude tento článek poskytovat hloubkovou analýzu technologie kamery s hloubkou, jejích hlavních typů a jejích aplikací v robotice, logistice a AR/VR. Prozkoumáme charakteristiky každé technologie, abychom inženýrům pomohli pochopit, jak fungují kamery pro snímání hloubky, a pro své projekty učiníme nejvíce informovanou volbu.
Co je to hloubková kamera a proč ji potřebujeme?
A Hloubková kamera, také často označovaná jako 3D fotoaparát, je kamera, která dokáže zachytit informace o hloubce pro každý pixel ve scéně. Vydává nejen tradiční obraz RGB, ale také hloubkovou mapu nebo bodová data cloudu. Každá hodnota pixelu v hloubkové mapě představuje vzdálenost mezi tímto bodem a kamerou.
3D kamery jsou potřebné, protože 2D obrázky nemohou vyřešit základní problém ve vidění: prostorová nejednoznačnost. 2D kamera nemůže rozlišovat mezi malým objektem zblízka a velkým objektem daleko. Kromě toho mohou všechny variace osvětlení, stíny a okluze způsobit selhání 2D vizí. Například objekt ve stínu může být zaměňován za jiný objekt nebo jednoduše být detekován.
Hloubkové kamery dokonale řeší tento problém poskytnutím přesných informací o vzdálenosti. Poskytují strojům geometrické informace, které nejsou ovlivněny osvětlením, barvou a texturou. Tato schopnost vnímání 3D tvaru umožňuje strojům porozumět a interagovat se skutečným světem a položit základ pro realizaci řešení 3D vnímání zabudovaného vidění.
Ze všech dostupných technologií hloubky, které jsou dnes dostupné, jsou tři nejoblíbenější a běžně používané:
1. Strukturované světlo
2. Čas letu
2.1 Přímý čas letu (DTOF)
2.1.1 Lidar
2.2 nepřímý čas letu (ITOF)
3. stereo vidění
Dále se podívejme blíže, jak každá z těchto technologií snímání hloubky funguje.
Tři běžné technologie pro hloubkové kamery
Abychom pochopili, jak fungují kamery senzační hloubky, je důležité mít za sebou hluboké porozumění hlavním typům hloubkové technologie kamery. V současné době existují tři hlavní technologie hloubkových kamer hlavního proudu.
1. Strukturovaná světelná kamera
Strukturovaná světelná kamera je aktivní zobrazovací technologie. Používá vysoce výkonný infračervený projektor k promítnutí známého vzoru světla, jako je specifický vzor sestávající z tisíců teček, na scénu. Poté použije jednu nebo více kamer k zachycení zkreslení tohoto vzoru na povrchu objektu. Výpočtem tohoto zkreslení může kamera odvodit 3D tvar a vzdálenost objektu.
Tato technologie poskytuje vysoce přesná a hloubková data s vysokým rozlišením, zejména v blízkých rozsazích. Jeho schopnost měření submillimetru vyniká v aplikacích vyžadujících přesné měření podrobností objektu. Promítané světlo však může být ovlivněno okolním světlem (zejména silným slunečním světlem), což ovlivňuje přesnost měření. Kromě toho, když se ve stejném prostoru používají více strukturovaných světelných kamer, mohou jejich projekční vzorce navzájem narušit.
2. Fotoaparát času
Kamery doba letu, založené na principu konstantní rychlosti světla, vyzařují infračervené světlo a měří dobu potřebnou pro lehký puls, aby se odrážely zpět ke senzoru kamery. Na základě tohoto časového rozdílu lze vzdálenost mezi objektem a kamerou přesně vypočítat. Tento proces se obvykle provádí paralelně na každém pixelu, což umožňuje zachycení hloubky s vysokou rámcem.
V závislosti na metodě použité k určení vzdálenosti je TOF rozdělen do dvou typů: přímý čas letu (DTOF) a nepřímý čas letu (ITOF).
2.1.Direct Time-of-Flight (DTOF)
DTOF přímo měří dobu letu lehkého pulsu od emise k návratu. Používá vyhrazený senzor k přesně detekci doby příjezdu jednotlivých fotonů. Tato metoda přímého měření umožňuje delší vzdálenosti měření a vyšší přesnost.
2.1.1.lidar
Lidar (laserový radar) je typ technologie DTOF. Obvykle používá laserový skener k emitování laserového světelného bodu po bodě ve scéně a přijímání odraženého světla pro generování vysoce přesného bodového cloudu. Dlouhý rozsah detekce LIDAR a silná odolnost vůči okolnímu světlu je ideální pro autonomní jízdu a vysoce přesné mapování pro roboty.
2.2. Indirect Time-of-Flight (ITOF)
ITOF neměří čas přímo. Místo toho přenáší kontinuální modulovanou světelnou vlnu a měří fázový rozdíl mezi odrazeným a emitovaným světlem. Tento fázový rozdíl je úměrný době letu světla. Systémy ITOF jsou obecně kompaktnější, spotřebovávají méně energie a dosahují vyšších snímků. Jsou vhodné pro vnitřní aplikace krátkého dosahu, jako je rozpoznávání gest a ověření obličeje.
3. kamera stereofonního vidění
Fotoaparát Stereo Vision napodobuje lidské binokulární vidění. Používá dvě kamery namontované na pevné základní vzdálenosti, aby současně zachytila stejnou scénu. Pomocí komplexních algoritmů systém najde odpovídající body na obou obrázcích a pomocí principů triangulace vypočítá polohu každého bodu v trojrozměrném prostoru a generuje mapu disparity.
Tato pasivní technologie nevyžaduje žádný další zdroj světla, což by bylo vhodné pro venkovní použití a prostředí s dostatečným přirozeným světlem. Poskytuje hloubkové mapy s vysokým rozlišením, které nejsou ovlivněny materiálem objektu. Stereo vidění je však výpočetně náročné a vyžaduje, aby výkonný procesor provedl porovnávání obrazu. Bojuje také v oblastech bez textur (jako jsou bílé stěny nebo povrchy solidních barev), protože algoritmus nemůže najít odpovídající body.
| Vlastnictví | Strukturované světlo | Stereo vidění | Lidar | Dtof | ITOF |
| Princip | Promítané zkreslení vzorů | Porovnání obrázků s dvojím fotoaparátem | Čas letu odraženého světla | Čas letu odraženého světla | Fázový posun modulovaného světelného pulsu |
| Složitost softwaru | Vysoký | Vysoký | NÍZKÝ | NÍZKÝ | Střední |
| Náklady | Vysoký | NÍZKÝ | Proměnná | Nízký | Střední |
| Přesnost | Na úrovni mikrometrů | Na úrovni centimetrů | Závislé na rozsahu | Milimetr až centimetr | Milimetr až centimetr |
| Provozní rozsah | Krátký | ~ 6 metrů | Vysoce škálovatelné | Škálovatelné | Škálovatelné |
| Výkon s nízkým osvětlením | Dobrý | Slabý | Dobrý | Dobrý | Dobrý |
| Venkovní výkon | Slabý | Dobrý | Dobrý | Mírný | Mírný |
| Rychlost skenování | Pomalý | Střední | Pomalý | Rychle | Velmi rychle |
| Kompaktnost | Střední | Nízký | Nízký | Vysoký | Střední |
| Spotřeba energie | Vysoký | Nízké až škálovatelné | Vysoký až škálovatelný | Střední | Škálovatelné až střední |
Jaké jsou základní aplikační scénáře hloubkových kamer?
Technologie 3D kamery se přesunula z laboratoře do komerčního využití a její rozmanité schopnosti revolucionizují různá průmyslová odvětví.
1. robotika a automatizace
Hloubkové kamery pro robotiku slouží jako „orgány prostorového vnímání“ robotů. V automatizovaných výrobních linkách musí roboti přesně identifikovat a uchopit náhodně naskládané obrobky . 3 D Kamery mohou generovat vysoce přesná data bodového cloudu a pomoci robotům pochopit trojrozměrnou pozici a polohu objektů, což umožňuje přesné grasping, třídění a sestavení, což zlepšuje účinnost výroby a flexibilitu.
2. rozšířená realita (AR) a virtuální realita (VR)
Zařízení AR/VR vyžadují, aby environmentální povědomí v reálném čase hladce integrovalo virtuální objekty do skutečného světa. Hloubkové kamery mohou provádět trojrozměrné skenování místnosti uživatele a generovat přesnou hloubkovou mapu. To umožňuje přesné umístění virtuálních objektů na stolní nebo skryté za skutečnými objekty, což výrazně zvyšuje pohlcující a interaktivní zážitek uživatele.
3. logistika a správa skladu
Automatizované skladování, měření objemu balíčků a paletizace jsou v logistickém průmyslu klíčové požadavky.3D kamerymůže rychle měřit objem a hmotnost balíčků pro optimalizaci načítání nákladních vozidel. V automatizovaných skladech mohou vést roboty, aby přesně vybíraly a umístily předměty z polic a prováděly počet zásob, což umožňuje efektivní správu skladu.
4.. Zdravotní a biometrie
V oblasti zdravotnictví lze 3D kamery použít pro měření bezkontaktního těla, analýzu držení těla a chirurgické plánování. Prostřednictvím 3D skenování mohou hloubkové kamery generovat lidské modely pro přizpůsobenou protetiku a ortotiku. V biometrii mohou identifikovat jedinečnou geometrii obličeje, aby poskytly bezpečnější ověřování a zabránily spoofingu fotografií nebo videa.
Shrnutí
Kamery pro snímání hloubky představují významný technologický pokrok v vestavěném poli vidění. Ať už strukturované světlo, čas letu nebo binokulární vidění, každá technologie nabízí jedinečná řešení pro 3D vnímání. Porozumění principům a charakteristikám těchto typů hloubky a přesného výběru na základě scénáře aplikací (jako jsou hloubkové kamery pro robotiku) je nezbytné pro každého inženýra strojového vidění. Hloubkové kamery zmocňují stroje se schopností vnímat trojrozměrný svět a řídí hlubokou transformaci z automatizace na inteligenci.
MALOVISISIOS vám pomůže vybrat si hloubkovou kameru
Snažíte se vybrat správnou hloubkovou kameru pro svůj projekt?Kontaktujte náš tým odborníků ještě dnesPro profesionální vestavěné vidění a 3D řešení pro řešení vnímání vám pomůže vytvořit nejlepší systém strojového vidění pro vaši aplikaci.
