Time-of-Flight: 3D-Herausforderungen meistern

Bisher haben wir in dieser Serie von Blogs über 3D-Bildverarbeitung die 3D-Bildverarbeitung vorgestellt und einige der wichtigsten Technologien, die in der Bildverarbeitung eingesetzt werden, näher beleuchtet (Stereo-Vision, Time-of-Flight, strukturiertes Licht und 3D-Profiling/Lasertriangulation).

In diesem Blogbeitrag werden wir uns mit der Time-of-Flight-Technologie (ToF) befassen und untersuchen, wie sie 3D-Herausforderungen in der Bildverarbeitung meistern kann.

Was ist Time of Flight (ToF)?

Die Time-of-Flight-Bildgebungstechnik ermöglicht eine 3D-Bildgebung ohne das Scannen eines Objekts. Dieser Ansatz beruht auf der Beleuchtung eines Objekts mit einer modulierten Lichtquelle. Die Position des Objekts wird dann durch die Laufzeit eines gepulsten Lichts bestimmt, das vom Sender ausgesandt wird und nach Reflexion an einem Objekt zum Sensor zurückkehrt, daher der Name Time-of-Flight.

Revolutionäre Time-of-Flight-Sensoren

Historisch gesehen hat die Time-of-Flight-Technologie Bedenken hinsichtlich ihrer Genauigkeit aufgeworfen und galt im Allgemeinen als minderwertige 3D-Technologie mit begrenzter Sensortechnologie, die nur einen geringen Genauigkeitsgrad (1-2 cm) ohne Kompensation der Bildrate bieten konnte.

Die DepthSense ToF-Sensoren von Sony haben die Technologie jedoch revolutioniert und können eine Genauigkeit bis auf den nächsten Millimeter liefern, was bedeutet, dass Systemintegratoren, die mit feineren Genauigkeitsgraden arbeiten, keine Rätsel mehr lösen müssen.

Der IMX556 DepthSense ToF-Sensor verfügt über CAPD- und BSI-Technologie (Backside Illuminated) – Technologien, die im Vergleich zu bestehenden ToF-Lösungen auf dem Markt eine überragende Tiefenpräzision erzeugen.

Sony IMX556 DepthSense Sensor

Aufbau einer Time-of-Flight-Kamera

ToF-3D-Kameras bestehen aus einer Linse, einer integrierten Lichtquelle, einem Sensor, der alle erfassten Bildinformationen speichert, und einer Schnittstelle. Während alle modernen Bildgebungssysteme Sensoren, Linsen, Schnittstellen und oft auch Beleuchtungsmodule enthalten, ist dieser Ansatz anders: Im Herzen einer Time-of-Flight-Kamera befinden sich der Time-of-Flight-Sensor und die IR-Lichtquelle, die harmonisch zusammenarbeiten, um den Abstand zwischen Sensor und Objekt zu messen. Dadurch ist dieses System in der Lage, Tiefen- und Intensitätsinformationen gleichzeitig für jedes Pixel im Bild zu erfassen.

Time-of-Flight-Kameras haben ein großes Potenzial für Machine-Vision-Anwendungen, da sie nativ die Tiefeninformationen erfassen, die bei herkömmlichen Bildgebungssystemen abgeleitet werden müssen.

Da diese Tiefeninformationen unabhängig von Intensität und Objektfarbe sind, können Sie das Objekt mit relativ einfachen Algorithmen vom Hintergrund trennen.

Vorteile und Nachteile von Time-of-Flight

ToF-Kameras sind aufgrund einer Reihe von Vorteilen gegenüber anderen 3D-Bildgebungslösungen eine attraktive Lösung für eine Vielzahl von Machine-Vision-Anwendungen.

Erstens bedeutet die kompakte Bauweise, dass ToF-Kameras mit weniger Aufwand als andere 3D-Bildgebungstechniken eingesetzt werden können, was Zeit und damit Geld spart. Time-of-Flight ist schnell, einfach zu installieren und bei weitem die günstigste 3D-Kameratechnologie im Vergleich zu Stereovision und 3D-Profiling. Der Nachteil dabei ist jedoch, dass Time-of-Flight nicht so genau ist wie andere 3D-Bildgebungstechnologien, wie z.B. 3D-Profiling.

Time-of-Flight-Kameras bieten außerdem eine hohe Genauigkeit und Tiefenauflösung im Millimeterbereich (MM) sowie hohe Bildraten von rund 60 Hz, wodurch ToF sowohl mit bewegten Objekten als auch mit statischen Szenen zurechtkommt.

In Bezug auf die Überlegungen ist es wichtig zu beachten, dass dies zwar kein 3D-Scanner ist, aber eine aktive Form der 3D-Technologie wie Lasertriangulation oder beleuchtete Stereo, und die Beleuchtungsquelle ist etwas schwieriger richtig einzustellen, wenn man sich für einen DIY-Aufbau entscheidet.

Die Präzision der gepulsten IR-Lichtquelle ist entscheidend, um genaue Messungen zu gewährleisten. Die Impulse müssen sowohl in der Anstiegs- als auch in der Abfallzeit identische Dauern aufweisen, da das System sehr empfindlich auf Variationen reagiert. Schon eine Nanosekundenabweichung zwischen den Impulsen kann Fehler von Zentimetern in realen Einheiten verursachen.

Die Faktoren, die die Genauigkeit der 3D-Rekonstruktion beeinflussen, reichen von Mehrfachreflexionen, Streulicht, Arbeitsbereich, Temperatur, Transparenz und Umgebungslicht. Um Fehler zu minimieren, wird empfohlen, im Zentrum des Arbeitsbereichs zu messen und Bereiche mit Mehrfachreflexionen oder wechselndem Umgebungslicht zu vermeiden.

Eine stabile Position und die Verwendung von Rauschfiltern für Raum und Zeit tragen dazu bei, die Genauigkeit des Systems zu erhöhen. Die Technologie hat einen großen Vorteil bei Arbeiten in Umgebungen mit wenig Licht, da die erzielten Ergebnisse weniger Umweltschwankungen ausgesetzt sind, was zu einer Verbesserung der Genauigkeit führt.

Die Wahl der richtigen Time-of-Flight-Kamera

Als hervorragende All-in-One-Time-of-Flight-Kamera empfehlen wir die Helios-Reihe von LUCID Vision Labs. Dazu gehören die Original Helios, Helios2 und das kompakte und anpassungsfähige Kameramodul Helios Flex, das für beengte Installationen entwickelt und für NVIDIA Jetson TX2 optimiert wurde.

LUCID Helios2 

Die Helios2 Time-of-Flight (ToF)-Kamera ist eine IP67 „fabrikrobuste“ 3D-Kamera mit Sonys IMX556PLR DepthSense-Sensor, die für Hochleistungsbetrieb in industriellen Umgebungen entwickelt wurde. Sie ist für anspruchsvolle 24/7-Umgebungen und eine Vielzahl industrieller 3D-Anwendungen wie Robotik, 3D-Inspektion und Logistik konzipiert, einschließlich fortschrittlicher Materialhandhabung, Pick-and-Place, Sortierung, Palettierung und Depalettierung, Volumenmessung und mehr.

Die Helios2 liefert eine submillimetergenaue Präzision und verbesserte Genauigkeit im Vergleich zur vorherigen Helios. Die Kalibrierung zwischen den VCSELs und dem Sensor-Timing wurde verbessert, was zu mehr 3D-Details sowie einer verbesserten Kantenerkennung führt, um fliegende Pixel und das Gesamtgeräusch zu reduzieren.

Sehen Sie sich oben unsere Demo der LUCID Helios2 an.

Die Kameras von LUCID arbeiten gut mit ihrer Arena SDK-Software für Bildverarbeitung und Punktwolkenrendering zusammen. Wenn Sie Matrox Design Assistant (DA) oder Matrox Imagine Library (MIL X) bevorzugen, unterstützen diese Programme beide die Helios-Reihe von LUCID. 

Punktwolke aufgenommen mit Helios2 und generiert mit Arena SDK

Für weitere Informationen zu den oben genannten Themen können Sie unser informatives E-Book über 3D-Bildgebungstechniken konsultieren. Spezifikationen für verschiedene 3D-Bildgebungslösungen finden Sie in den Datenblättern unserer Kameras, die auf unserer Website verfügbar sind, um Ihnen die Entscheidung bei der Auswahl des optimalen 3D-Bildverarbeitungskameramodells für Ihre industrielle Anwendung zu erleichtern.