Tiempo de Vuelo: Abordando los desafíos 3D
Hasta ahora, en esta serie de blogs de visión artificial 3D, hemos introducido la visión artificial 3D y explorado algunas de las principales tecnologías utilizadas en la visión artificial (visión estéreo, tiempo de vuelo, luz estructurada y perfilado 3D/triangulación láser).
En esta entrada del blog, cubriremos el tiempo de vuelo (ToF), explorando la tecnología en juego y cómo puede abordar los retos 3D en la visión artificial.
¿Qué es el tiempo de vuelo (ToF)?
La técnica de imagen de tiempo de vuelo permite la obtención de imágenes 3D sin escanear un objeto. Este enfoque se basa en iluminar un objeto con una fuente de luz modulada. La posición del objeto se determina entonces por el tiempo de viaje de un pulso de luz enviado por el emisor y su retorno al sensor después de ser reflejado por un objeto, de ahí el nombre tiempo de vuelo.
Sensores de tiempo de vuelo revolucionados
Históricamente, el tiempo de vuelo ha planteado preguntas sobre su precisión, y generalmente se ha considerado una tecnología 3D inferior con tecnología de sensor limitada que solo es capaz de proporcionar un bajo grado de precisión (1-2 cm) sin compensación en la velocidad de fotogramas.
Sin embargo, los sensores ToF DepthSense de Sony han revolucionado la tecnología, logrando una precisión al milímetro, lo que significa que no hay más conjeturas para los integradores de sistemas que trabajan con grados de precisión más finos.
El sensor IMX556 DepthSense ToF cuenta con tecnología CAPD e iluminación trasera (BSI), tecnologías que producen una precisión de profundidad superior en comparación con las soluciones ToF existentes en el mercado.
Sensor Sony IMX556 DepthSense
Desglose de la cámara de tiempo de vuelo
Las cámaras 3D ToF constan de un objetivo, una fuente de luz integrada, un sensor que almacena toda la información de la imagen capturada y una interfaz. Si bien todos los sistemas de imágenes modernos incluirán sensores, objetivos, interfaces y, a menudo, módulos de iluminación, este enfoque es diferente; en el corazón de una cámara de tiempo de vuelo se encuentran el sensor de tiempo de vuelo y la fuente de luz IR, trabajando en armonía para medir la distancia entre el sensor y el objeto. Como resultado, este sistema es capaz de capturar información de profundidad e intensidad simultáneamente para cada píxel de la imagen.
Las cámaras de tiempo de vuelo tienen un gran potencial para aplicaciones de visión artificial porque capturan de forma nativa la información de profundidad que debe inferirse mediante los sistemas de imágenes tradicionales.
Debido a que esta información de profundidad es independiente de la intensidad y el color del objeto, se puede separar el objeto del fondo con algoritmos relativamente simples.
Ventajas y desventajas del tiempo de vuelo
Las cámaras ToF son una solución atractiva para una amplia gama de aplicaciones de visión artificial debido a una serie de ventajas sobre otras soluciones de imagen 3D.
En primer lugar, su diseño compacto significa que las cámaras ToF se pueden implementar con menos complicaciones que otras técnicas de imagen 3D, lo que ahorra tiempo y, por lo tanto, dinero. El tiempo de vuelo es rápido, fácil de instalar y, con diferencia, la tecnología de cámara 3D más barata en comparación con la visión estéreo y el perfilado 3D. La salvedad de esto, sin embargo, es que el tiempo de vuelo no es tan preciso como otras tecnologías de imagen 3D, como el perfilado 3D.
Las cámaras de tiempo de vuelo también ofrecen una gran precisión y resolución de profundidad al milímetro (MM), así como una excelente velocidad de fotogramas de alrededor de 60 Hz, lo que significa que ToF puede hacer frente a objetos en movimiento y a escenas estáticas.
En cuanto a las consideraciones, es importante señalar que, si bien no se trata de un escáner 3D, es una forma activa de tecnología 3D, como la triangulación láser o el estéreo iluminado, y la fuente de iluminación es un poco más difícil de conseguir si se opta por un enfoque de configuración DIY.
La precisión de la fuente de luz IR pulsada es clave para garantizar mediciones precisas. Los pulsos deben tener duraciones idénticas, tanto en los tiempos de subida como de bajada, ya que el sistema es bastante sensible a las variaciones. Incluso una desviación de nanosegundos entre pulsos puede producir errores de centímetros en unidades del mundo real.
Los factores que influyen en la precisión de la reconstrucción 3D varían entre múltiples reflejos, luz dispersa, área de trabajo, temperatura, transparencia y luz ambiental. Para mitigar errores, se recomienda medir en el centro del área de trabajo y evitar trabajar en áreas con múltiples reflejos o cambios de luz ambiental.
Una posición estable y el uso de filtros de ruido tanto para el espacio como para el tiempo ayudarán a aumentar la precisión del sistema. La tecnología tiene una gran ventaja cuando se trabaja con entornos de poca luz, ya que los resultados obtenidos estarán menos expuestos a las fluctuaciones ambientales, lo que se traduce en una mejora de la precisión.
Elegir la cámara de tiempo de vuelo adecuada
Para una excelente cámara de tiempo de vuelo todo en uno, recomendamos la gama Helios de LUCID Vision Labs. Esta consiste en el Helios original, Helios2 y el módulo de cámara compacto y adaptable Helios Flex, diseñado para instalaciones claustrofóbicas y optimizado para NVIDIA Jetson TX2.
LUCID Helios2
La cámara de tiempo de vuelo (ToF) Helios2 es una cámara 3D IP67 "robusta de fábrica" que cuenta con el sensor IMX556PLR DepthSense de Sony, diseñada para un funcionamiento de alto rendimiento en entornos industriales. Construida para entornos exigentes 24/7 y una variedad de aplicaciones 3D industriales como robótica, inspección 3D y logística, incluido el manejo avanzado de materiales, selección y colocación, clasificación, paletización y despaletización, estimación de volumen y más.
La Helios2 ofrece una precisión submilimétrica y una precisión mejorada en comparación con la Helios anterior. La calibración entre los VCSEL y la sincronización del sensor se ha mejorado, lo que resulta en más detalles 3D, junto con una detección de bordes mejorada para reducir los píxeles flotantes y el ruido general.
Vea nuestra demostración del LUCID Helios2 arriba
Las cámaras de LUCID funcionan bien en conjunto con su software Arena SDK para el procesamiento de imágenes y la representación de nubes de puntos. Si prefiere usar Matrox Design Assistant (DA) o Matrox Imaging Library (MIL X), ambos programas son compatibles con la gama Helios de LUCID.
Nube de puntos capturada con Helios2 y generada utilizando Arena SDK
Para más información sobre lo anterior, no dude en consultar nuestro informativo libro electrónico sobre técnicas de imagen 3D. Las especificaciones para las diferentes soluciones de imagen 3D se pueden encontrar en las hojas de datos de nuestras cámaras, disponibles en nuestro sitio web para ayudarle a tomar la decisión al elegir el modelo de cámara de visión artificial 3D óptimo para su aplicación industrial.