Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Времяпролетный метод: современное состояние развития ToF-технологии и ее применение в 3D-системах

Времяпролетный метод: современное состояние развития ToF-технологии и ее применение в 3D-системах

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

Времяпролетный метод:современное состояние развития ToF-технологии и ее применение в 3D-системах

Существуют различные методы трехмерной съемки объектов и сцен. Один из таких методов основан на времяпролетном принципе (от англ. Time-of-Flight, или ToF). Эта технология сегодня находит широкое применение в робототехнике, логистике и автоматизации производства
Мартин Граматке
Менеджер по продукции 3D-камеры компании Basler AG

В отличие от простой камеры, которая фиксирует только значения силы света на изображении, с помощью 3D-камеры можно получить дополнительную ценную информацию об объекте съемки со светоотражающей поверхностью, в том числе о его форме, положении и ориентации в пространстве. В трехмерной съемке объектов особенно эффективна технология ToF, поскольку измерение осуществляется бесконтактным методом и занимает буквально доли секунды.

Как устроена времяпролетная камера?

При использовании времяпролетной камеры каждым пикселем регистрируются два типа данных: значение силы света (как уровень яркости) и расстояние между объектом и сенсором, то есть значение глубины. Времяпролетная технология базируется на двух различных принципах: принципе непрерывной волны и импульсном времяпролетном принципе. Они различаются тем, как источник испускает свет и как работает сенсор.

Принцип непрерывной волны основан на измерении электрической длины модулируемого по яркости источника света. Он может быть реализован средствами стандартного электронного оборудования и считается полностью разработанным, однако здесь используются только сенсоры низкого разрешения и относительно крупного оптического формата.


Напротив, камеры на базе импульсного время-пролетного принципа для измерения расстояния до объекта фиксируют время, за которое это расстояние покрывают множество отдельных световых импульсов. Времяпролетная технология быстро развивается, не в последнюю очередь по причине расширения экономических возможностей для создания устройств, генерирующих точные световые импульсы, и систем для их безошибочной регистрации. Времяпролетная камера состоит из активного встроенного источника света, встроенного объектива и ToF-сенсора, представляя собой, таким образом, компактную и полнофункциональную систему без подвижных компонентов.


Что происходит со светом? Световые импульсы, испускаемые встроенным в камеру источником света, достигают объекта и отражаются от него обратно в сторону камеры. Этот отраженный свет направляется на сенсор через встроенный объектив. Камерой измеряется время, за которое свет покрывает расстояние до объекта и обратно до сенсора. Зная скорость света, полученное значение можно использовать для вычисления расстояния до светоотражающей поверхности для каждого пикселя.

Этот метод позволяет одновременно получать плотное множество точек и карты глубин, а также профиль интенсивности и таблицы точности в режиме реального времени.

Типичные области применения ToF-технологии

Если основными условиями являются большое рабочее расстояние, высокая скорость работы и при этом несложная архитектура системы, а также если соблюдение этих условий более важно, чем абсолютная точность измерений вплоть до миллиметра, то ваш идеальный выбор – времяпролетные камеры, даже в случае сравнительно небольшого бюджета. Ввиду относительно низкой точности значений глубины они лучше всего подходят для решения задач, не требующих предельной точности, таких как автоматизация производства и перемещение крупногабаритных объектов с помощью роботизированных систем. Эти камеры широко применяются в логистике для измерения объемов грузов в целях определения стоимости фрахта или транспортировки, а также загрузки и разгрузки поддонов полностью в автономном режиме роботами, без прерывания технологических процессов.


Времяпролетной технологией оснащаются автоматические самоходные тележки (АСТ), что приносит несомненные преимущества в логистике и на производстве: одна или несколько ToF-камер в реальном времени осуществляют съемку окружающего пространства, позволяя АСТ анализировать объекты вокруг, чтобы объезжать препятствия или следовать за человеком. За счет этого ускоряются технологические процессы и повышается эффективность.

ToF-системы можно условно разделить на два типа: с управлением жестами и с другим принципом управления. В системах с управлением жестами человек взаимодействует с устройством жестами. Это может быть взаимодействие человека с роботом или управление медийной системой в автомобиле.


Системы, для управления которыми не требуются жесты, широко распространены в логистике. В этом случае камерой осуществляется съемка изображений, которые анализируются специальным алгоритмом. Получаемые трехмерные данные можно использовать, например, для определения объемов и местоположения объектов для оптимального размещения грузов при загрузке контейнеров или самолетов, чтобы как можно более плотно заполнить пространство и не допустить пустот при транспортировке.


Времяпролетные камеры также идеально справляются с дополнительными задачами визуализации в медицинской сфере. Съемка 3D-изображе-ний открывает целый ряд возможных сценариев применения камер, включая контроль состояния или положения пациента, а также определение размеров тела и рентгенодиагностику.


ToF-камеры помогают оптимально разместить пациентов для проведения магнитно-резонансной томографии (МРТ) или компьютерной томографии (КТ). Плотное множество точек на контрольном изображении сравнивается с плотным множеством точек, отражающим текущее положение пациента. Цель заключается в размещении пациента в точно таком положении, как на контрольном изображении.


ToF-камеры также используются в реанимационных отделениях. Они все чаще заменяют классические камеры наблюдения, поскольку медсестры, опираясь на дополнительные значения глубины, получают возможность удаленно контролировать как само помещение, так и состояние каждого пациента в нем. ToF-камеры способны определять положение пациентов даже под одеялом и, благодаря интеллектуальным алгоритмам, даже предупреждать о начинающемся эпилептическом припадке или критическом ухудшении жизненно важных параметров.

Времяпролетная технология используется в рентген-диагностике, например для выбора корректной дозы излучения в зависимости от объема тела. На стандартных рентгеновских аппаратах дозы излучения вручную выставляются техником. Чтобы получить наилучшее качество снимка, зачастую выбирается значение по умолчанию – максимальный уровень излучения. Однако результаты текущих исследований говорят в пользу консервативной рентгенографии, то есть с более низкими дозами излучения. Для этого необходимы одна или несколько ToF-камер, которые вычисляют объем и определяют точное положение тела пациента, после чего на основе собранных 3D-данных рассчитывается оптимальная доза излучения.

Другие современные 3D-технологии

Времяпролетный метод – не единственная технология формирования трехмерных изображений. В зависимости от области применения некоторые задачи могут быть решены с помощью таких методов, как стереоскопическое зрение и структурированный свет, лазерная триангуляция. Каждая из этих технологий опирается на свой принцип определения глубины объекта съемки.

В основе стереоскопического зрения лежит принцип функционирования человеческого глаза. Две классические матричные камеры используются для съемки двух 2D-изображений с разных позиций. После определения диспа-ратности, то есть поиска соответствующих друг другу точек на левом и правом изображениях с помощью алгоритма сравнения, вычисляется расстояние между этими точками по методу триангуляции. На основе вычисленных данных и другой полученной информации из двух изображений формируется скорректированное 3D-изображение и воссоздается глубина объекта. Точность измерений можно повысить с помощью неструктурированного света.

Принцип лазерной триангуляции предполагает комбинирование 2D-камеры и устройства, проецирующего лазерную линию или лазерные точки. Лазерная линия фокусируется на объекте съемки, в то время как 2D-камера фиксирует ее отражение. При изменении расстояния между объектом и светочувствительным сенсором меняется угол проецирования лазерной линии и вместе с этим ее положение на изображении, передаваемом камерой. К полученным данным применяется тригонометрическая функция, чтобы вычислить расстояние между объектом съемки и лазерным проектором. Камерой фиксируется положение лазерной точки на изображении. Затем в зависимости от этого положения в пределах изображения определяется расстояние между сенсором и объектом съемки.

В таблице приведено сравнение различных технологий по ключевым критериям.

Выводы и перспективы

Как уже упоминалось, на данный момент не существует универсальной 3D-технологии для решения всех возможных задач. Необходимо внимательно сформулировать свои требования заранее и исходя из них выбрать наиболее подходящую технологию.


К основным преимуществам времяпролетных камер по сравнению со стереоскопическим зрением и лазерной триангуляцией можно отнести их компактные размеры и высокую скорость работы. Они также очень просты в интеграции и управлении. Невозможно дать универсальную рекомендацию касательно того, какая из технологий – 2D или 3D – будет оптимальной в каждом случае, как невозможно однозначно ответить на вопрос о наиболее подходящем методе съемки. Задачи, как и системы машинного зрения для их решения, как правило, настолько комплексные, что необходимо отталкиваться от конкретных требований и условий съемки, а также имеющегося бюджета. Это касается не только стоимости отдельных компонентов, но и общих инвестиционных затрат на протяжении всего жизненного цикла 3D-системы, особенно учитывая потенциально высокие затраты на ее построение.

С этой точки зрения доступность времяпролетной технологии уже способствует повышению эффективности и снижению затрат во многих областях. Можно ожидать, что в последующие годы эта тенденция будет продолжать расти.

Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #5, 2018
Посещений: 939


  Автор
Мартин Граматке

Мартин Граматке

Менеджер по продукции 3D-камеры компании Basler AG

Всего статей:  1

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