Caméras de détection de profondeur : Combien de types existent-ils et comment fonctionnent-ils ?

Les modules de caméras à détection de profondeur sont désormais une technologie clé dans les systèmes embarqués, la robotique, l'automatisation industrielle et les véhicules autonomes. Ils permettent aux machines de "voir" le monde en trois dimensions, tout comme nous les humains. Les technologies de détection de profondeur, y compris le temps de vol (ToF), le LiDAR et les caméras à lumière structurée, offrent aux machines une perception spatiale précise, permettant un haut degré d'interactivité et d'automatisation dans diverses applications. Ces technologies impulsent le développement de domaines tels que les véhicules autonomes, la navigation robotique, l'automatisation industrielle et la réalité augmentée. Cet article s'immergera profondément dans le fonctionnement des caméras à détection de profondeur, les différents types de technologies et leurs applications variées dans la technologie moderne. Dans nos articles précédents, nous avons introduit le ToF et d'autres caméras de cartographie 3D . Pour plus de détails, veuillez vous y référer.

Différents types de caméras de détection de profondeur et leurs principes de mise en œuvre de base

Avant de comprendre chaque type de caméra de détection de profondeur, comprenons d'abord ce qu'est la détection de profondeur.

Qu'est-ce que la détection de profondeur ?

La détection de profondeur est une technique permettant de mesurer la distance entre un appareil et un objet ou entre deux objets. Cela peut être réalisé à l'aide d'une caméra de détection de profondeur 3D, qui détecte automatiquement la présence de tout objet près de l'appareil et mesure la distance jusqu'à l'objet à tout moment. Cette technologie est bénéfique pour les appareils intégrant des caméras de détection de profondeur ou pour les applications mobiles autonomes prenant des décisions en temps réel en mesurant la distance.

Parmi les technologies de détection de profondeur utilisées aujourd'hui, les trois plus couramment utilisées sont :
1. Lumière structurée
2. Vision stéréoscopique
3. Temps de vol
1. Temps de vol direct (dToF)
1. LiDAR
2. Temps de vol indirect (iToF)
Examinons de plus près les principes de chaque technologie de détection en profondeur.

LUMIÈRE structurée

Les caméras à lumière structurée calculent la profondeur et le contour d'un objet en projetant un motif lumineux connu, comme des lasers ou des LEDs (généralement sous forme de bandes), sur l'objet cible et en analysant la distorsion du motif réfléchi. Cette technologie est excellente pour sa haute précision et sa stabilité dans des conditions d'éclairage contrôlées, mais est généralement utilisée pour le balayage 3D et la modélisation en raison de sa plage d'exploitation limitée.

VISION stéréo

Les caméras à vision stéréoscopique fonctionnent de manière similaire à la vision binoculaire humaine, en capturant des images via deux caméras espacées d'une certaine distance et en utilisant un traitement logiciel pour détecter et comparer les points caractéristiques des deux images afin de calculer les informations de profondeur. Cette technologie est utile pour des applications en temps réel dans diverses conditions d'éclairage, telles que l'automatisation industrielle et la réalité augmentée.

Caméra à temps de vol

Le temps de vol (ToF) fait référence au temps mis par la lumière pour parcourir une certaine distance. Les caméras à temps de vol utilisent ce principe pour estimer la distance jusqu'à un objet en fonction du temps que met la lumière émise pour se refléter sur la surface de l'objet et revenir au capteur.
Il existe trois composants principaux d'une caméra à temps de vol :

1. Capteur ToF et module de capteur
2. Source lumineuse
3. Capteur de profondeur

ToF peut être divisé en deux types selon la méthode utilisée par le capteur de profondeur pour déterminer la distance : temps de vol direct (DToF) et temps de vol indirect (iToF). Examinons de plus près les différences entre ces deux types.

Temps de vol direct (dToF)

La technologie de temps de vol direct (dToF) fonctionne en mesurant directement la distance en émettant des impulsions laser infrarouges et en mesurant le temps que ces impulsions mettent pour aller de l'émetteur à l'objet et revenir.

les modules de caméra dToF utilisent des pixels sensibles à la lumière spéciaux, tels que des diodes à avalanche à photon unique (SPAD), pour détecter des augmentations soudaines de photons dans les impulsions lumineuses réfléchies, permettant un calcul précis des intervalles de temps. Lorsqu'une impulsion lumineuse se reflète sur un objet, le SPAD détecte une augmentation soudaine de photons. Cela lui permet de suivre les intervalles entre les pics de photons et de mesurer le temps.

les caméras dToF ont généralement une résolution plus faible, mais leur petite taille et leur faible coût les rendent idéales pour des applications qui n'exigent pas une haute résolution et des performances en temps réel.

LiDAR

Puisque nous parlons d'utiliser des impulsions laser infrarouges pour mesurer la distance, parlons des caméras LiDAR.

Les caméras LiDAR (Light Detection and Ranging) utilisent un émetteur laser pour projeter un motif lumineux raster sur la scène enregistrée et le scanner de gauche à droite. La distance est mesurée en calculant le temps nécessaire pour que le capteur de la caméra enregistre l'impulsion lumineuse jusqu'à ce qu'elle atteigne un objet et se réfléchisse vers elle-même.

Les capteurs LiDAR utilisent généralement deux longueurs d'onde de lasers infrarouges : 905 nanomètres et 1550 nanomètres. Les lasers avec des longueurs d'onde plus courtes sont moins susceptibles d'être absorbés par l'eau dans l'atmosphère et sont mieux adaptés aux mesures à longue portée. En revanche, les lasers infrarouges avec des longueurs d'onde plus longues peuvent être utilisés dans des applications sûres pour les yeux, comme les robots fonctionnant autour des humains.

Temps de vol indirect (iToF)

Contrairement au temps de vol direct, les caméras à temps de vol indirect (iToF) calculent la distance en éclairant toute la scène avec des impulsions laser modulées continuellement et en enregistrant le décalage de phase dans les pixels du capteur. Les caméras iToF sont capables de capturer des informations de distance pour toute la scène en une seule fois. Contrairement au dToF, l'iToF ne mesure pas directement l'intervalle de temps entre chaque impulsion lumineuse.

Avec une caméra iToF, la distance de tous les points d'une scène peut être déterminée en une seule prise.

Domaines communs des caméras de détection en profondeur

• Véhicules autonomes : les caméras de détection en profondeur fournissent aux véhicules autonomes les capacités de perception environnementale nécessaires, leur permettant d'identifier et d'éviter les obstacles tout en effectuant une navigation et une planification de trajectoire précises.
• Sécurité et surveillance : les caméras de détection en profondeur sont utilisées dans le domaine de la sécurité pour la reconnaissance faciale, la surveillance des foules et la détection d'intrusion, améliorant ainsi la sécurité et la vitesse de réponse.
• Réalité augmentée (RA) : la technologie de détection en profondeur est utilisée dans les applications de réalité augmentée pour superposer avec précision des images virtuelles sur le monde réel, offrant aux utilisateurs une expérience immersive.

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