Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Времяпролетные камеры: 2D- и 3D-изображения за один кадр

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Времяпролетные камеры: 2D- и 3D-изображения за один кадр

Камеры, основанные на времяпролетном принципе (Time-of-Flight, ToF), позволяют одновременно вести съемку в 2D и 3D. Это является важным преимуществом в таких областях, как логистика, автоматизация производства, робототехника и медицинские технологии
Ларc Бринкманн
Региональный менеджер по продажам компании Basler AG

Помимо 2D-изображений, которые можно получить обычной камерой, времяпролетная камера при съемке анализирует ориентацию и положение объектов в поле зрения и расстояние до них от камеры. Раньше для получения таких данных приходилось комбинировать различные технологии, например использовать несколько камер, камеры с лазерным сканером или камеры с источником структурированных световых лучей. Как же устроена времяпролетная камера, какие факторы необходимо учитывать при ее эксплуатации и каковы области ее применения?

Принцип работы времяпролетной камеры

Как и классическая промышленная камера, времяпролетная камера включает в себя оптическую систему, сенсор, блок анализа и интерфейс. Кроме того, она оснащена собственным источником света и электронным блоком управления (рис. 1).


Для определения расстояния до объекта времяпролетная камера измеряет время, за которое его покрывают лучи света. Причем вместо непосредственного измерения используется инженерная хитрость, в основе которой лежит свойство света, регистрируемое цифровой камерой, – яркость. В камере применяется один из базовых методов построения пространственной картины – импульсный времяпролетный принцип измерения.

Блок управления включает и выключает источник света, в результате чего формируется световой импульс. В этот же момент открывается и закрывается электронный затвор сенсора, преобразующий попадающий на него свет в электрический заряд. Заряд, порожденный с участием светового импульса, сохраняется в сенсоре. После этого блок управления повторно включает и выключает источник света. Теперь затвор открывается в момент выключения источника света. Генерируемый заряд также сохраняется в сенсоре. В связи с очень малой длительностью отдельного светового импульса процедура повторяется несколько тысяч раз, пока не истечет заданное время экспозиции. На этом этапе считывается и анализируется накопленный сенсором заряд, а также проводится ряд других измерений без участия источника света для определения яркости окружающего света.

В результате схемы чередования испускания импульсов формируются два изображения. В первом измерении поверхности, находящиеся ближе к камере, будут светлее. Чем дальше поверхность от камеры, тем меньше света от нее отражается и попадает обратно на сенсор, пока затвор открыт. При втором измерении поверхности, расположенные ближе, будут темнее, поскольку затвор открывается только после того, как свет уже покрыл некоторое расстояние. Расстояние до объекта можно определить, исходя из пропорции этих значений интенсивности света. Основными преимуществами импульсных времяпролетных камер являются устойчивость к влиянию окружающего света и высокое быстродействие. За счет коротких, более интенсивных световых импульсов можно получить более высокие результаты за более короткий период времени.

Факторы, влияющие на точность измерения

Существует несколько факторов, которые могут повлиять на результаты измерений, выполняемых времяпролетной камерой, и, как следствие, снизить их точность.

Многократное отражение

Для определения расстояния до объекта, необходимо, чтобы луч света отразился от его поверхности только один раз. Наличие углов и изогнутых поверхностей, как правило, приводит к возникновению ошибок вследствие многократного отражения луча света.

Крайне важно учитывать, какими путями световой импульс от источника света возвращается в камеру. Если луч света отклоняется от обратного пути, то до камеры не доходит отраженный свет, что препятствует правильному измерению расстояния до отражающей поверхности. Если же луч отражается от зеркала прямо на сенсор, то зачастую возникает переэкспонирование.

Идеальным решением является светлый, ровный фон с диффузной отражающей поверхностью в темной пустой комнате.

Рассеянный свет

Рассеянный свет возникает в результате отражения луча света внутри объектива или за ним (рис. 2). Даже в случае тщательной проектировки системы полностью исключить рассеянный свет практически невозможно.


Блестящие поверхности вблизи от источника света создают слишком много рассеянного света, который попадает в объектив. Они необязательно должны находиться в поле зрения сенсора. Если камера расположена в центре светлого стола, то вызываемый им рассеянный свет серьезно повлияет на точность измерения расстояния.

В профиле интенсивности рассеянный свет может стать причиной размытия изображения и его низкой контрастности. Решение состоит в том, чтобы в пространстве непосредственно перед камерой отсутствовали объекты с высокой отражающей способностью.

Окружающий свет

Несмотря на то, что окружающий свет измеряется камерой и полученное значение корректируется на этапе анализа, физическая проблема сохраняется. Каждый пиксель сенсора может удержать определенный уровень заряда. Чем больше эта емкость заполняется за счет окружающего света, тем меньше емкости остается для регистрации нужного светового импульса. Оптический полосовой фильтр пропускает на пиксель свет только того диапазона спектра, который присутствует в источнике света. Искусственный свет обычно не является проблемой, поскольку совпадение с этим диапазоном спектра минимальное.

Дневной свет, напротив, покрывает почти весь диапазон оптического спектра, и в солнечный день может отрицательно сказаться на качестве изображения. В такой ситуации для камеры необходимо предусмотреть дополнительные защитные устройства.

Температура

В основу расчета расстояния положена модель синхронизации испускания светового импульса с работой электронного затвора. Если затвор откроется всего на 33 пикосекунды позже, чем планировалось, то рассчитанное расстояние будет меньше на целый сантиметр.

Даже высококачественные электронные компоненты не всегда способны удовлетворить требованиям к точности при использовании времяпролетного принципа. Важно, чтобы эксплуатация камеры осуществлялась в условиях с постоянной температурой. Нельзя подвергать ее экстремальным температурам. Целесообразно обеспечить охлаждение камеры, например потоком воздуха или за счет монтажа на цельном металлическом кронштейне.

Области применения

Времяпролетные камеры используются в первую очередь для измерения расстояния до объекта или его объема. В логистике времяпролетные камеры можно применять в таких областях, как наполнение тары, анализ ее содержимого или штабелирование поддонов. Во всех этих случаях 2D-изображения недостаточно, поскольку также необходимы значения ширины и высоты объекта. Времяпролетными камерами оборудуются роботы и самоходные транспортные средства: камеры сообщают им информацию об окружающей среде, позволяют избегать препятствия и распознавать объекты. В промышленности с помощью времяпролетных камер осуществляется визуальный контроль крупных предметов и их упаковки без прерывания автоматизированного процесса. Времяпролетные камеры могут применяться и в медицине для мониторинга больничных палат и позиционирования пациентов в томографах и МРТ-сканерах.

Преимущества говорят сами за себя

Времяпролетная камера позволяет быстро и эффективно измерять расстояние до объекта. В отличие от обычных камер, ключевыми компонентами времяпролетной камеры являются блок управления и источник света, причем надлежащая эксплуатация имеет непосредственное влияние на точность измерения. В целях экономии места все компоненты помещены в единый компактный корпус и не требуют сборки.

Времяпролетная камера вместе с объективом должны быть откалиброваны как измерительный прибор, а в идеале поставляются уже откалиброванными. Камера обеспечивает наилучшие результаты в определенных условиях окружающей среды и в определенном рабочем диапазоне.

Времяпролетная камера предоставляет значительно больше данных, чем стандартная камера, а именно профиль интенсивности и карту глубин, а также значения точности для каждой точки на карте глубин.

Даже при оптимальных условиях точность измерения на основе времяпролетного принципа определяется многочисленными факторами, включая геометрию объекта, посторонний свет и температуру.

Если следовать этим правилам, результаты работы времяпролетной камеры не разочаруют: 4 миллиона операций измерения расстояния в секунду, с точностью до сантиметра. Более быстрого способа построения картины пространственного расположения предметов не существует.

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #2, 2016
Посещений: 11040

  Автор

Ларс Бринкманн

Ларс Бринкманн

Региональный менеджер по продажам компании Basler AG

Всего статей:  6

В рубрику "Видеонаблюдение (CCTV)" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций