Belangrijke 3D-detectietechnologieën

Ons vorige artikel getiteld “3D-visiesystemen – welke is geschikt voor u?” behandelde de belangrijkste parameters van 3D-visiesystemen, en wat zijn de afwegingen van sommige parameters die nogal hoog zijn . De besproken parameters omvatten het scanvolume, data-acquisitie &verwerkingstijd, resolutie, nauwkeurigheid &precisie, robuustheid, ontwerp &connectiviteit, en de prijs/prestatieverhouding.

Elk van deze parameters speelt zijn rol in specifieke toepassingen - waarbij de ene parameter de sleutel is, kan de andere ondergeschikt zijn en vice versa.

We zullen naar deze parameters verwijzen voor een betere vergelijking van de individuele technologieën achter 3D-visiesystemen en de mogelijkheden die ze bieden.

3D-waarnemingstechnologieën

De technologieën die 3D-visiesystemen aandrijven, kunnen worden onderverdeeld in twee hoofdgroepen . Men gebruikt de vluchttijd principe en de andere het principe van triangulatie :

A. Vluchttijd

• Gebiedsscan
• LiDAR

B. Op triangulatie gebaseerde methoden

• Lasertriangulatie (of profilometrie)
• Fotogrammetrie
• Stereovisie (passief en actief)
• Gestructureerd licht (één frame, meerdere frames)
• De nieuwe "parallel structured light"-technologie

Dit artikel bespreekt de fundamentele verschillen tussen deze technieken. Dan zal het zich concentreren op één belangrijk aspect waar ze allemaal mee worstelen, en geen van hen kan het naar tevredenheid aanpakken - op één na. Dit aspect is het vastleggen van gegevens van hoge kwaliteit van scènes in beweging . Er is één enkele, nieuwe technologie die het scannen van snel bewegende objecten met hoge kwaliteit mogelijk maakt, waardoor er geen compromis meer hoeft te worden gesloten tussen kwaliteit en snelheid . Deze methode wordt aan het einde behandeld van dit artikel. Maar laten we stap voor stap gaan.

Tijd van vlucht (ToF)

ToF-systemen zijn gebaseerd op het meten van de tijd waarin een door de lichtbron uitgezonden lichtsignaal het gescande object raakt en terugkeert naar de sensor . Hoewel de scansnelheid relatief hoog is, is de beperking de lichtsnelheid zelf. Zelfs een kleine fout in de berekening van het moment van lichtinval kan resulteren in een meetfout van millimeters tot centimeters. Een andere beperking is dat deze sensoren een relatief lage resolutie bieden.

Er zijn twee onderscheidende technieken die de ToF-benadering gebruiken:LiDAR en gebiedsdetectie.

LiDAR

LiDAR-systemen bemonsteren één (of enkele) 3D-punten tegelijk . Tijdens het scannen veranderen ze de positie of oriëntatie van de sensor om het hele bedrijfsvolume te scannen.

ToF-gebiedsdetectie

ToF-systemen op basis van gebiedsdetectie gebruiken een speciale beeldsensor om de tijd te meten voor meerdere metingen in een 2D-snapshot . Ze bieden niet zo'n hoge datakwaliteit als LiDAR-systemen, maar ze zijn zeer geschikt voor dynamische toepassingen die volstaan ​​met een lage resolutie . Een bijzonder nadeel van deze methode zijn interreflecties tussen de delen van de scène, die foutieve metingen kunnen veroorzaken.

ToF-systemen zijn vrij populair vanwege de aantrekkelijke prijs van consumentenapparaten die voornamelijk zijn ontworpen voor interactie tussen mens en computer.

Op triangulatie gebaseerde methoden

Op triangulatie gebaseerde systemen observeren scènes vanuit twee perspectieven, die een basislijn vormen. De basislijn en het geïnspecteerde punt vormen een driehoek. Door de hoeken van deze driehoek te meten, kunnen we de exacte 3D-coördinaten berekenen . De lengte van de basislijn en de nauwkeurigheid van het ophalen van de hoeken hebben een grote invloed op de precisie van een systeem.

Lasertriangulatie =profilometrie

Lasertriangulatie is een van de meest populaire 3D-waarnemingsmethoden. Het projecteert een smalle lichtband (of een punt) op een 3D-oppervlak, wat een lijn van verlichting produceert die vervormd lijkt vanuit een andere hoek dan die van de projector . Deze afwijking codeert diepte-informatie.

Omdat het één profiel per keer vastlegt, moet de sensor of het object bewegen, of moet het laserprofiel door de scène scannen om een ​​hele snapshot te maken.

Om diepte voor een enkel profiel te reconstrueren, vereist deze methode het vastleggen van een scanbeeld met een smal gebied, waarbij de grootte de framesnelheid en bijgevolg ook de scansnelheid beperkt. Bovendien kan de diepteberekening behoorlijk gecompliceerd worden, omdat deze afhankelijk is van het vinden van intensiteitsmaxima in vastgelegde 2D-beelden, wat alleen al een complex probleem is.

Fotogrammetrie

Fotogrammetrie is een techniek die de 3D-reconstructie van een object berekent op basis van een groot aantal niet-geregistreerde 2D-beelden . Net als bij stereovisie, is het afhankelijk van de textuur van het object, maar het kan profiteren van meerdere voorbeelden van hetzelfde punt met een hoge basislijn. Fotogrammetrie kan worden gebruikt als alternatief voor LiDAR-systemen.

Stereovisie

Stereovisie is gebaseerd op de berekening van de driehoek:camera – gescand object – camera, waarmee de menselijke dieptewaarneming wordt nagebootst.

De standaard stereo zoekt naar correlaties tussen twee beelden (ze moeten een textuur/identieke details hebben) en op basis van de ongelijkheid identificeert het de afstand (diepte) van het object. Vanwege deze afhankelijkheid van het materiaal van een object, passieve 3D-stereo wordt gebruikt voor toepassingen die niets meten, zoals het tellen van mensen.

Om dit nadeel te compenseren, een actieve stereo visiesysteem is ontwikkeld. Deze methodeprojecteert een lichtpatroon op het oppervlak om een ​​kunstmatige textuur op het oppervlak en overeenkomsten in de scène te creëren . De identificatie van overeenkomsten en meting van één enkel dieptepunt vereist echter meerdere naburige pixels, wat resulteert in een laag aantal gemeten punten met over het algemeen een lagere robuustheid.

De diepteberekening is gebaseerd op een analyse van overeenkomsten tussen het paar stereobeelden, waarvan de complexiteit toeneemt met de grootte van het overeenkomende venster en het dieptebereik. Om te voldoen aan strikte verwerkingstijdvereisten, wordt de kwaliteit van de reconstructie vaak aangetast, waardoor de methode voor bepaalde toepassingen ontoereikend is.

Gestructureerd licht

Een andere methode die ook tot triangulatiebenaderingen behoort, verlicht het gescande object met een zogenaamd gestructureerd licht. De driehoek spant tussen een projector, het gescande object en een camera . Omdat deze methode het mogelijk maakt om de volledige 3D-snapshot van een scène vast te leggen zonder dat er onderdelen verplaatst hoeven te worden, biedt de gestructureerde lichttechnologie een hoog niveau van prestaties en flexibiliteit .

Geavanceerde projectietechnieken worden gebruikt om een ​​gecodeerd gestructureerd patroon te creëren dat 3D-informatie rechtstreeks in de scène codeert . Deze informatie wordt vervolgens geanalyseerd door de camera en interne algoritmen, wat zorgt voor eenhoog niveau van nauwkeurigheid en resolutie .

Systemen voor gestructureerd licht met een hogere resolutie die op de markt verkrijgbaar zijn, gebruiken meerdere frames van de scène, elk met een ander geprojecteerd gestructureerd patroon. Dit zorgt voor zeer nauwkeurige 3D-informatie per pixel, maar vereist een statische scène op het moment van aanschaf.

Een van de grootste nadelen van op projectie gebaseerde benaderingen is de scherptediepte (of dieptebereik). Om de projector scherp te houden, heeft het systeem een ​​smal diafragma nodig. Dit is optisch niet efficiënt, omdat het geblokkeerde licht voor extra warmte en interne reflecties in het projectiesysteem zorgt. Dit beperkt het gebruik van deze technologie voor grotere dieptebereiken .

Photoneo loste dit probleem op met een laser die gestructureerde patronen creëert. Photoneo-systemen bieden een vrijwel onbeperkt dieptebereik , en ook de mogelijkheid om smalle banddoorlaatfilters te gebruiken om omgevingslicht te blokkeren .

Voor een bewegende applicatie moet een benadering met één frame worden gebruikt . Een conventionele techniek is om onderscheidende kenmerken van systemen met meerdere frames te coderen in één gestructureerd patroon, met een sterke impact op de XY- en Z-resolutie. Net als bij ToF-systemen zijn er in deze categorie consumentenproducten beschikbaar.

Parallel gestructureerd licht

Er is slechts één methode die de beperkingen van het scannen van bewegende scènes kan omzeilen .

De nieuwe, gepatenteerde technologie genaamd Parallel gestructureerd licht is ontwikkeld door Photoneo en maakt het vastleggen van objecten mogelijk in beweging met hoge kwaliteit . De methode maakt gebruik van gestructureerd licht in combinatie met een gepatenteerde CMOS-beeldsensor met mozaïeksluiter.

Terwijl de gestructureerde lichtmethode projector-gecodeerde patronen sequentieel vastlegt, legt de Parallel Structured Light-technologie parallel meerdere beelden van gestructureerd licht vast – dit is het spelveranderende factor. Omdat de beeldacquisitie van een 3D-oppervlak meerdere frames vereist, zou de uitvoer van het scannen van een bewegend object met de gestructureerde lichtmethode vervormd zijn. De Parallel Structured Light-technologie legt een dynamische scène vast door het 3D-beeld te reconstrueren op basis van één enkele opname van de sensor .

De speciale sensor bestaat uit superpixelblokken die verder zijn onderverdeeld in subpixels. De laser die uit een gestructureerde lichtprojector komt, staat de hele tijd aan, terwijl de belichting van de afzonderlijke pixels op een gecodeerde manier wordt in- en uitgeschakeld. Op deze manier is er één projectie en één vastgelegd beeld – maar dit beeld bevat meerdere subbeelden, elk virtueel verlicht door een ander lichtpatroon.

Het resultaat lijkt erg op dat van meerdere afbeeldingen in de loop van de tijd, met het verschil dat deze nieuwe methode ze tegelijkertijd verwerft =daarom "Parallel Structured Light". Een ander voordeel van deze techniek is de mogelijkheid om de sensor in sequentiële modus te schakelen en een volledige resolutie van 2 MP te krijgen met metrologische kwaliteit.

De Parallel Structured Light-technologie biedt dus de hoge resolutie van gestructureerde lichtsystemen met meerdere frames en snelle opname in één frame van ToF-systemen.

Photoneo implementeerde deze technologie in zijn 3D-camera MotionCam-3D , waardoor de 3D-camera met de hoogste resolutie en de hoogste nauwkeurigheid is ontwikkeld die objecten bewegende kan vastleggen .

Conclusie

Dit artikel presenteerde een veelheid aan 3D-visiemethoden en legde hun specifieke voor- en zwakke punten uit. De meeste state-of-the-art 3D-methoden maken een compromis tussen kwaliteit en snelheid, hetzij vanwege een veeleisend acquisitieproces, hetzij vanwege complexe gegevensverwerking. De enige technologie die tegelijkertijd zowel kwaliteit als snelheid levert, is de Parallel Structured Light op basis van de originele Photoneo CMOS-sensor. Deze nieuwe methode breidt het scala aan mogelijke toepassingen uit en maakt automatisering mogelijk waar het voorheen niet mogelijk was.