О журнале | Читать онлайн | Публикации | Электронная газета | Подписка | Мероприятия

Журналы в формате iMag

Форум

Публикации

Архив


Новости проекта

Системная интеграция

Отраслевые

Новости CCTV

Новости СКУД

Новости ОПС

Новости ПБ

Электронная газета "Системы безопасности"


Журнал "Системы безопасности"

Каталог "Системы безопасности"

Каталог "Пожарная безопасность"

Рекламодателям


Video & Vision

СКУД. Антитерроризм


Подписка

Платная подписка

Исторический календарь

Контакты

Ссылки

Мероприятия

English

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

Реклама на сайте

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: 283


  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



Реклама на сайте

Добавить комментарий

Автор:
Компания:
E-mail:
Уведомлять о новых сообщениях в этой теме да
нет
Текст сообщения:
Введите код:









Реклама на сайте

ПОИСК

РАССЫЛКА

Подписка на новости сайта
Введите ваш e-mail


Реклама на сайте

ЧИТАТЬ ОНЛАЙН



Свежий номер журнала "Системы безопасности"

Вызов консультанта

ПУБЛИКАЦИИ
Видеонаблюдение
Охранно-пожарная сигнализация
Security and IT Management
Системы контроля и управления доступом
Комплексная безопасность, периметровые системы
В центре внимания. Тесты
ОПС, пожарная безопасность





Рейтинг@Mail.ru

Яндекс цитирования


Реклама на сайте | Правила перепечатки материалов | Медиакиты проектов | Авторский договор

Copyright © 2007-2018, ООО "Гротек" | Связаться с нами