Wichtige 3D-Sensortechnologien

Unser vorheriger Artikel mit dem Titel „3D-Vision-Systeme – welches ist das Richtige für Sie?“ behandelte die wichtigsten Parameter von 3D-Vision-Systemen und was sind die Kompromisse, wenn einige Parameter ziemlich hoch sind . Zu den besprochenen Parametern gehörten das Scanvolumen, Datenerfassungs- und Verarbeitungszeit, Auflösung, Genauigkeit und Präzision, Robustheit, Design und Konnektivität sowie das Preis-Leistungs-Verhältnis.

Jeder dieser Parameter spielt seine Rolle in bestimmten Anwendungen – wo ein Parameter entscheidend ist, können andere unbedeutend sein und umgekehrt.

Wir werden auf diese Parameter verweisen, um die einzelnen Technologien hinter 3D-Vision-Systemen und die Möglichkeiten, die sie bieten, besser vergleichen zu können.

3D-Sensortechnologien

Die Technologien, die 3D-Bildverarbeitungssysteme antreiben, können in zwei Hauptgruppen unterteilt werden . Man verwendet die Flugzeit Prinzip und zum anderen das Prinzip der Triangulation :

A. Flugzeit

• Flächenscan
• LiDAR

B. Triangulationsbasierte Methoden

• Lasertriangulation (oder Profilometrie)
• Photogrammetrie
• Stereovision (passiv und aktiv)
• Strukturiertes Licht (ein Frame, mehrere Frames)
• Die neue „Parallel Structured Light“-Technologie

In diesem Artikel werden die grundlegenden Unterschiede zwischen diesen Techniken erläutert. Dann wird es sich auf einen wichtigen Aspekt konzentrieren, mit dem sie alle zu kämpfen haben, und keiner von ihnen kann ihn zufriedenstellend ansprechen – bis auf einen. Dieser Aspekt ist die qualitativ hochwertige Datenerfassung von Szenenin Bewegung . Es gibt eine einzige, neuartige Technologie, die das Scannen von Schnappschüssen von sich schnell bewegenden Objekten in hoher Qualität ermöglicht, wodurch die Notwendigkeit entfällt, Kompromisse zwischen Qualität und Geschwindigkeit einzugehen . Diese Methode wird am Ende behandelt dieses Artikels. Aber gehen wir Schritt für Schritt vor.

Laufzeit (ToF)

ToF-Systeme basieren auf der Messung der Zeit, während der ein von der Lichtquelle ausgesendetes Lichtsignal auf das gescannte Objekt trifft und zum Sensor zurückkehrt . Während die Scangeschwindigkeit relativ hoch ist, ist die Begrenzung die Lichtgeschwindigkeit selbst. Bereits ein kleiner Fehler bei der Berechnung des Lichteinfallzeitpunkts kann zu einem Messfehler im Millimeter- bis Zentimeterbereich führen. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass diese Sensoren eine relativ niedrige Auflösung bieten.

Es gibt zwei unterschiedliche Techniken, die den ToF-Ansatz verwenden – LiDAR und Bereichserkennung.

LiDAR

LiDAR-Systeme tasten jeweils einen (oder wenige) 3D-Punkte ab . Während des Scannens ändern sie die Position oder Ausrichtung des Sensors, um das gesamte Operationsvolumen zu scannen.

ToF-Bereichserkennung

ToF-Systeme, die auf Flächenerkennung basieren, verwenden einen speziellen Bildsensor, um die Zeit für mehrere Messungen in einem 2D-Schnappschuss zu messen . Sie liefern zwar keine so hohe Datenqualität wie LiDAR-Systeme, eignen sich aber gut für dynamische Anwendungen, denen eine geringe Auflösung genügt . Ein besonderer Nachteil dieser Methode sind Interreflexionen zwischen den Szenenteilen, die zu Fehlmessungen führen können.

ToF-Systeme sind aufgrund des attraktiven Preises von Verbrauchergeräten, die hauptsächlich für die Mensch-Computer-Interaktion entwickelt wurden, ziemlich beliebt.

Triangulationsbasierte Methoden

Auf Triangulation basierende Systeme beobachten Szenen aus zwei Perspektiven, die eine Basislinie bilden. Die Basislinie und der inspizierte Punkt bilden ein Dreieck – durch Messen der Winkel dieses Dreiecks können wir die exakten 3D-Koordinaten berechnen . Die Länge der Basislinie und die Genauigkeit beim Abrufen der Winkel wirken sich stark auf die Präzision eines Systems aus.

Lasertriangulation =Profilometrie

Die Lasertriangulation ist eine der beliebtesten 3D-Erfassungsmethoden. Er projiziert ein schmales Lichtband (oder einen Punkt) auf eine 3D-Oberfläche, wodurch eine Beleuchtungslinie entsteht, die aus einem anderen Winkel als dem des Projektors verzerrt erscheint . Diese Abweichung codiert Tiefeninformationen.

Da jeweils nur ein Profil erfasst wird, muss sich entweder der Sensor oder das Objekt bewegen oder das Laserprofil muss die Szene scannen, um einen vollständigen Schnappschuss zu erstellen.

Um die Tiefe für ein einzelnes Profil zu rekonstruieren, erfordert dieses Verfahren die Erfassung eines Scanbildes mit einem schmalen Bereich, wobei dessen Größe die Bildrate und folglich auch die Scangeschwindigkeit begrenzt. Darüber hinaus kann die Tiefenberechnung ziemlich kompliziert werden, da sie darauf angewiesen ist, Intensitätsmaxima in aufgenommenen 2D-Bildern zu finden, was allein schon ein komplexes Problem darstellt.

Photogrammetrie

Photogrammetrie ist eine Technik, die die 3D-Rekonstruktion eines Objekts aus einer großen Anzahl nicht registrierter 2D-Bilder berechnet . Ähnlich wie bei der Stereovision hängt es von der Textur des Objekts ab, kann jedoch von mehreren Abtastungen desselben Punkts mit einer hohen Grundlinie profitieren. Photogrammetrie kann als Alternative zu LiDAR-Systemen eingesetzt werden.

Stereovision

Das Stereosehen basiert auf der Rechnung des Dreiecks:Kamera – gescanntes Objekt – Kamera, das die menschliche Tiefenwahrnehmung nachahmt.

Das Standard-Stereo sucht nach Korrelationen zwischen zwei Bildern (sie müssen eine Textur/identische Details haben) und basierend auf der Disparität identifiziert es die Entfernung (Tiefe) vom Objekt. Aufgrund dieser Abhängigkeit vom Material eines Objekts passives 3D-Stereo wird für Anwendungen verwendet, die nichts messen, wie z. B. das Zählen von Personen.

Um diesen Nachteil auszugleichen, eine aktive Stereoanlage Vision-System entwickelt. Diese Methode projiziert ein Lichtmuster auf die Oberfläche, um eine künstliche Textur auf der Oberfläche und Entsprechungen in der Szene zu erzeugen . Die Identifizierung von Übereinstimmungen und die Messung eines einzelnen Tiefenpunkts erfordert jedoch mehrere benachbarte Pixel, was zu einer geringen Anzahl von gemessenen Punkten mit allgemein geringerer Robustheit führt.

Die Tiefenberechnung basiert auf einer Analyse von Korrespondenzen zwischen dem Stereobildpaar, deren Komplexität mit der Größe des Anpassungsfensters und dem Tiefenbereich zunimmt. Um die strengen Anforderungen an die Verarbeitungszeit zu erfüllen, wird die Rekonstruktionsqualität oft beeinträchtigt, wodurch das Verfahren für bestimmte Anwendungen unzureichend wird.

Strukturiertes Licht

Ein weiteres Verfahren, das ebenfalls zu den Triangulationsansätzen gehört, beleuchtet das gescannte Objekt mit sogenanntem strukturiertem Licht. Das Dreieck erstreckt sich zwischen einem Projektor, dem gescannten Objekt und einer Kamera . Da diese Methode die Erfassung des gesamten 3D-Schnappschusses einer Szene ermöglicht, ohne dass Teile bewegt werden müssen, bietet die strukturierte Lichttechnologie ein hohes Maß an Leistung und Flexibilität .

Hochentwickelte Projektionstechniken werden verwendet, um ein codiertes strukturiertes Muster zu erstellen, das 3D-Informationen direkt in der Szene codiert . Diese Informationen werden dann von der Kamera und internen Algorithmen analysiert, was ein hohes Maß an Genauigkeit und Auflösung bietet .

Auf dem Markt erhältliche strukturierte Lichtsysteme mit höherer Auflösung verwenden mehrere Einzelbilder der Szene, jedes mit einem anderen projizierten strukturierten Muster. Dies gewährleistet hochpräzise 3D-Informationen pro Pixel, erfordert aber eine statische Szene zum Zeitpunkt des Erwerbs.

Einer der größten Nachteile der projektionsbasierten Ansätze ist die Schärfentiefe (oder Tiefenbereich). Um den Projektor fokussiert zu halten, benötigt das System eine schmale Blende. Dies ist optisch nicht effizient, da das blockierte Licht zusätzliche Wärme und interne Reflexionen im Projektionssystem erzeugt. Dies schränkt die Verwendung dieser Technologie für Bereiche mit höherer Tiefe ein .

Photoneo löste dieses Problem mit einem Laser, der strukturierte Muster erzeugt. Photoneo-Systeme bieten einen nahezu unbegrenzten Tiefenbereich , und auch die Möglichkeit, schmale Bandpassfilter zu verwenden, um Umgebungslicht auszublenden .

Für eine sich bewegende Anwendung muss ein Ein-Frame-Ansatz verwendet werden . Eine herkömmliche Technik besteht darin, charakteristische Merkmale von Multi-Frame-Systemen in ein strukturiertes Muster zu codieren, mit starkem Einfluss auf die XY- und Z-Auflösung. Ähnlich wie bei ToF-Systemen gibt es in dieser Kategorie verbraucherbasierte Produkte.

Parallel strukturiertes Licht

Es gibt nur eine Methode, die die Beschränkungen beim Scannen bewegter Szenen überwinden kann .

Die neuartige, patentierte Technologie namens Paralleles strukturiertes Licht wurde von Photoneo entwickelt und ermöglicht das Erfassen von Objekten in Bewegung in hoher Qualität . Das Verfahren verwendet strukturiertes Licht in Kombination mit einem proprietären Mosaik-Shutter-CMOS-Bildsensor.

Während die strukturierte Lichtmethode projektorcodierte Muster nacheinander erfasst, erfasst die Parallel Structured Light-Technologie mehrere Bilder von strukturiertem Licht parallel – das ist das bahnbrechende Faktor. Da die Bilderfassung einer 3D-Oberfläche mehrere Frames erfordert, würde die Ausgabe des Scannens eines sich bewegenden Objekts mit dem Streifenlichtverfahren verzerrt werden. Die Parallel Structured Light-Technologie erfasst eine dynamische Szene durch die Rekonstruktion ihres 3D-Bildes aus einer einzigen Aufnahme des Sensors .

Der spezielle Sensor besteht aus Superpixelblöcken, die weiter in Subpixel unterteilt sind. Der von einem Streifenlichtprojektor kommende Laser ist die ganze Zeit eingeschaltet, während die Belichtung der einzelnen Pixel verschlüsselt ein- und ausgeschaltet wird. Auf diese Weise gibt es eine Projektion und ein aufgenommenes Bild – aber dieses Bild enthält mehrere Teilbilder, die jeweils virtuell von einem anderen Lichtmuster beleuchtet werden.

Das Ergebnis ist dem von mehreren Bildern im Laufe der Zeit sehr ähnlich, mit dem Unterschied, dass diese neue Methode sie gleichzeitig aufnimmt =deshalb „Parallel Structured Light“. Ein weiterer Vorteil dieser Technik ist die Möglichkeit, den Sensor in den sequentiellen Modus zu schalten und eine volle 2MP-Auflösung in messtechnischer Qualität zu erhalten.

Die Parallel Structured Light-Technologie bietet somit die hohe Auflösung von strukturierten Lichtsystemen mit mehreren Einzelbildern und schnelle Einzelbilderfassung von ToF-Systemen.

Photoneo hat diese Technologie in seine 3D-Kamera MotionCam-3D implementiert , wodurch die 3D-Flächenkamera mit der höchsten Auflösung und der höchsten Genauigkeit entwickelt wurde, die in der Lage ist, Objekte in Bewegung zu erfassen .

Schlussfolgerung

Dieser Artikel stellte eine Vielzahl von 3D-Vision-Methoden vor und erläuterte ihre spezifischen Vorteile und Schwachstellen. Die meisten modernen 3D-Verfahren gehen einen Kompromiss zwischen Qualität und Geschwindigkeit ein, entweder aufgrund eines anspruchsvollen Aufnahmeprozesses oder einer komplexen Datenverarbeitung. Die einzige Technologie, die Qualität und Geschwindigkeit gleichzeitig liefert, ist das parallel strukturierte Licht, das auf dem Original-CMOS-Sensor von Photoneo basiert. Dieses neue Verfahren erweitert die Bandbreite möglicher Anwendungen und ermöglicht eine Automatisierung, wo dies vorher nicht möglich war.