Tiefenmesskameras: Wie viele Arten gibt es und wie funktionieren sie?

Tiefensensorkameras sind mittlerweile eine Schlüsseltechnologie in eingebetteten Systemen, Robotik, industrieller Automatisierung und autonomen Fahrzeugen. Sie ermöglichen Maschinen, die Welt in drei Dimensionen wahrzunehmen, genau wie wir Menschen es tun. Tiefensensor-Technologien, einschließlich Time-of-Flight (ToF), LiDAR und Strukturlichtkameras, verleihen Maschinen eine präzise räumliche Wahrnehmung, was einen hohen Grad an Interaktivität und Automatisierung in einer Vielzahl von Anwendungen ermöglicht. Diese Technologien treiben die Entwicklung von Bereichen wie autonome Fahrzeuge, robotische Navigation, industrielle Automatisierung und augmentierte Realität voran. Dieser Artikel wird sich eingehend mit dem Funktionieren von Tiefensensorkameras, den unterschiedlichen Technologietypen und ihren vielfältigen Anwendungen in der modernen Technik beschäftigen. In unseren vorherigen Artikeln haben wir die ToF-Technologie und andere 3D-Mapping-Kameras vorgestellt . Für weitere Details können Sie sich diese anschauen.

Verschiedene Arten von Tiefensensorkameras und ihre grundlegenden Implementierungsprinzipien

Bevor wir die verschiedenen Arten von Tiefenmesskameras verstehen, sollten wir zuerst verstehen, was Tiefenmessung ist.

Was ist Tiefenmessung?

Tiefenmessung ist eine Technik zur Messung der Distanz zwischen einem Gerät und einem Objekt oder der Distanz zwischen zwei Objekten. Dies kann mit einer 3D-Tiefenmesskamera erreicht werden, die automatisch die Anwesenheit eines beliebigen Objekts in der Nähe des Geräts erkennt und die Distanz zum Objekt zu jeder Zeit misst. Diese Technologie ist nützlich für Geräte, die Tiefenmesskameras integrieren, oder für autonome mobile Anwendungen, die durch Distanzmessung Echtzeitentscheidungen treffen.

Unter den heute verwendeten Tiefenmess-Technologien sind die drei am häufigsten verwendeten:
1. Strukturiertes Licht
2. Stereovision
3. Flugzeitverfahren
1. Direktes Flugzeitverfahren (dToF)
1. LiDAR
2. Indirektes Flugzeitverfahren (iToF)
Schauen wir uns die Prinzipien jeder Tiefenmess-Technologie genauer an.

STRUKTURIERTES LICHT

Strukturlicht-Kameras berechnen die Tiefe und den Umriss eines Objekts, indem sie ein bekanntes Lichtmuster, wie Laser oder LEDs etc. (meist in Form von Streifen), auf das Zielobjekt projizieren und die Verzerrung des reflektierten Musters analysieren. Diese Technologie ist hinsichtlich ihrer hohen Genauigkeit und Stabilität unter kontrollierten Beleuchtungsbedingungen ausgezeichnet, wird jedoch meist für 3D-Scanning und -Modellierung verwendet, da ihr Arbeitsbereich begrenzt ist.

STEREO-VISION

Stereo-Vision-Kameras funktionieren ähnlich wie die menschliche Doppelsicht, indem sie Bilder durch zwei Kameras auf einer bestimmten Entfernung aufnehmen und durch Softwareverarbeitung Merkpunkte in den beiden Bildern erkennen und vergleichen, um Tiefeninformationen zu berechnen. Diese Technologie ist nützlich für Echtzeitanwendungen unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen, wie industrieller Automatisierung und augmentierter Realität.

Flugzeitkamera

Flugzeit (ToF) bezieht sich auf die Zeit, die Licht benötigt, um eine bestimmte Distanz zurückzulegen. Flugzeitkameras nutzen dieses Prinzip, um die Entfernung zu einem Objekt basierend auf der Zeit zu schätzen, die das emittierte Licht benötigt, um von der Oberfläche des Objekts zu reflektieren und zum Sensor zurückzukehren.
Es gibt drei Hauptkomponenten einer Flugzeitkamera:

1. ToF-Sensor und Sensormodul
2. Lichtquelle<br>
3. Tiefensensor

ToF kann je nach Methode, die der Tiefensensor zur Bestimmung der Entfernung verwendet, in zwei Typen unterteilt werden: direkte Flugzeit (DToF) und indirekte Flugzeit (iToF). Lassen Sie uns genauer auf die Unterschiede zwischen diesen beiden Typen eingehen.

Direkte Flugzeit (dToF)

Die Technologie der direkten Flugzeit (dToF) funktioniert, indem sie Abstände direkt misst, indem sie Infrarot-Laserpulsen emittiert und die Zeit misst, die diese Pulsen benötigen, um vom Emitter zum Objekt und wieder zurück zu reisen.

dToF-Kameramodule verwenden spezielle lichtempfindliche Pixel, wie Single-Photon-Avalanche-Dioden (SPADs), um plötzliche Zunahmen an Photonen in reflektierten Lichtpulsen zu erkennen, was eine genaue Berechnung von Zeitintervallen ermöglicht. Wenn ein Lichtpuls von einem Objekt reflektiert wird, erkennt die SPAD einen plötzlichen Photonenspitzenwert. Dadurch kann sie die Intervalle zwischen Photonenspitzen verfolgen und die Zeit messen.

dToF-Kameras haben normalerweise eine geringere Auflösung, aber ihre kleine Größe und ihr niedriger Preis machen sie ideal für Anwendungen, die keine hohe Auflösung und Echtzeit-Leistung benötigen.

Lidar

Da wir über die Verwendung von Infrarotlaserpulsen zur Entfernungsmessung sprechen, reden wir auch über LiDAR-Kameras.

LiDAR (Light Detection and Ranging)-Kameras verwenden einen Lasersender, um ein Rasterlichtmuster über die aufgezeichnete Szene zu projizieren und es hin und her zu scannen. Die Entfernung wird durch die Berechnung der Zeit gemessen, die der Kamera-Sensor benötigt, um den Lichtpuls zu einem Objekt zu senden und dessen Reflexion wieder aufzufangen.

LiDAR-Sensoren verwenden typischerweise zwei Wellenlängen von Infrarot-Lasern: 905 Nanometer und 1550 Nanometer. Laser mit kürzeren Wellenlängen werden seltener von Wasser in der Atmosphäre absorbiert und eignen sich besser für Langstrecken-Messungen. Im Gegensatz dazu können Infrarot-Laser mit längeren Wellenlängen in augensicheren Anwendungen verwendet werden, wie bei Robotern, die um Menschen herum operieren.

Indirekter Flugzeitverfahren (iToF)

Im Gegensatz zum direkten Flugzeitverfahren berechnen indirekte Flugzeitverfahren (iToF)-Kameras die Entfernung, indem sie die gesamte Szene mit kontinuierlich modulierten Laserpulsen beleuchten und den Phasenverschiebung in den Sensorpixeln aufzeichnen. iToF-Kameras können Entfernungsinformationen für die gesamte Szene auf einmal erfassen. Im Unterschied zu dToF misst iToF nicht direkt das Zeitintervall zwischen jedem Lichtpuls.

Mit einer iToF-Kamera kann die Entfernung zu allen Punkten in einer Szene mit einem einzigen Schuss bestimmt werden.

Gemeinsame Bereiche von Tiefenkamerasensoren

• Autonome Fahrzeuge: Tiefenkamerasensoren verleihen autonomen Fahrzeugen die notwendigen Fähigkeiten zur Umwelterkennung, wodurch sie Hindernisse erkennen und vermeiden sowie präzise Navigation und Routenplanung durchführen können.
• Sicherheit und Überwachung: Tiefenkamerasensoren werden im Sicherheitsbereich für Gesichtserkennung, Menschenstromüberwachung und Eindringlingsdetektion eingesetzt, um Sicherheit und Reaktionsgeschwindigkeit zu verbessern.
• Augmentierte Realität (AR): Tiefentastetechnologie wird in AR-Anwendungen verwendet, um virtuelle Bilder genau über die reale Welt zu legen und den Benutzern ein immersives Erlebnis zu bieten.

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