Camere con rilevamento della profondità: Quanti tipi esistono e come funzionano?

I moduli di telecamere per la rilevazione della profondità sono ora una tecnologia chiave nei sistemi embedded, nella robotica, nell'automazione industriale e nei veicoli autonomi. Consentono alle macchine di "vedere" il mondo in tre dimensioni, proprio come facciamo noi umani. Le tecnologie di rilevazione della profondità, inclusi Time-of-Flight (ToF), LiDAR e telecamere a luce strutturata, forniscono alle macchine una percezione spaziale precisa, consentendo un alto grado di interattività e automazione in varie applicazioni. Queste tecnologie stanno guidando lo sviluppo di settori come i veicoli autonomi, la navigazione robotica, l'automazione industriale e la realtà aumentata. Questo articolo approfondirà il funzionamento delle telecamere per la rilevazione della profondità, i diversi tipi di tecnologie e le loro varie applicazioni nella tecnologia moderna. Nei nostri precedenti articoli, abbiamo introdotto ToF e altre telecamere per mappe 3D . Per maggiori dettagli, si prega di consultare quelli.

Diversi tipi di telecamere per la rilevazione della profondità e i loro principi di implementazione di base

Prima di comprendere ciascun tipo di camera per la rilevazione della profondità, è prima necessario capire cos'è la rilevazione della profondità.

Cos'è la rilevazione della profondità?

La rilevazione della profondità è una tecnica per misurare la distanza tra un dispositivo e un oggetto o la distanza tra due oggetti. Questo può essere realizzato utilizzando una telecamera 3D per la rilevazione della profondità, che rileva automaticamente la presenza di qualsiasi oggetto vicino al dispositivo e misura la distanza dall'oggetto in qualsiasi momento. Questa tecnologia è vantaggiosa per dispositivi che integrano telecamere per la rilevazione della profondità o applicazioni mobili autonome che prendono decisioni in tempo reale misurando le distanze.

Tra le tecnologie di rilevazione della profondità utilizzate oggi, le tre più comuni sono:
1. Luce strutturata
2. Visione stereo
3. Time of flight
1. Direct time of flight (dToF)
1. LiDAR
2. Indirect time of flight (iToF)
Diamo un'occhiata più approfondita ai principi di ciascuna tecnologia di rilevamento della profondità.

LUCE STRUTTURATA

Le telecamere con luce strutturata calcolano la profondità e il contorno di un oggetto proiettando un pattern luminoso noto, come laser o LED, ecc. (di solito sotto forma di strisce), sull'oggetto target e analizzando la distorsione del pattern riflesso. Questa tecnologia è ottima per la sua alta precisione e stabilità in condizioni di illuminazione controllate, ma viene generalmente utilizzata per lo scanning e la modellazione 3D a causa del suo limitato intervallo operativo.

VISIONE STEREO

Le telecamere stereo funzionano in modo simile alla visione binoculare umana, catturando immagini tramite due telecamere poste ad una certa distanza e utilizzando il processing software per rilevare e confrontare i punti caratteristici nelle due immagini per calcolare le informazioni sulla profondità. Questa tecnologia è utile per applicazioni in tempo reale in varie condizioni di illuminazione, come l'automazione industriale e la realtà aumentata.

Telecamera a tempo di volo

Il tempo di volo (ToF) si riferisce al tempo impiegato dalla luce per percorrere una certa distanza. Le telecamere a tempo di volo utilizzano questo principio per stimare la distanza da un oggetto in base al tempo impiegato dalla luce emessa per riflettersi dalla superficie dell'oggetto e tornare al sensore.
Ci sono tre componenti principali di una telecamera a tempo di volo:

1. Sensore ToF e modulo sensore
2. Fonte di luce
3. Sensore di profondità

Il ToF può essere diviso in due tipi in base al metodo utilizzato dal sensore di profondità per determinare la distanza: tempo di volo diretto (DToF) e tempo di volo indiretto (iToF). Vediamo più da vicino le differenze tra questi due tipi.

Tempo di Volo Diretto (dToF)

La tecnologia del tempo di volo diretto (dToF) funziona misurando direttamente la distanza emettendo impulsi laser infrarossi e misurando il tempo impiegato dagli impulsi per viaggiare dall'emettitore all'oggetto e ritornare.

i moduli delle camere dToF utilizzano pixel fotosensibili speciali, come i diodi a valanga ad un singolo fotone (SPAD), per rilevare improvvisi aumenti di fotoni nei raggi di luce riflessa, consentendo il calcolo preciso degli intervalli di tempo. Quando un raggio di luce si riflette su un oggetto, lo SPAD rileva un'improvvisa impennata di fotoni. Ciò permette di tenere traccia degli intervalli tra i picchi di fotoni e misurare il tempo.

le camere dToF hanno generalmente una risoluzione inferiore, ma la loro piccola dimensione e il basso prezzo le rendono ideali per applicazioni che non richiedono una alta risoluzione e prestazioni in tempo reale.

LiDAR

Poiché stiamo parlando dell'uso di impulsi laser infrarossi per misurare la distanza, parliamo delle camere LiDAR.

Le camere LiDAR (Light Detection and Ranging) utilizzano un trasmettitore laser per proiettare un modello di luce raster sulla scena in registrazione e scandirla avanti e indietro. La distanza viene misurata calcolando il tempo necessario perché il sensore della telecamera registri l'impulso di luce per arrivare all'oggetto e riflettersi fino a tornare indietro.

I sensori LiDAR utilizzano tipicamente due lunghezze d'onda di laser infrarossi: 905 nanometri e 1550 nanometri. I laser con lunghezze d'onda più corte sono meno probabili di essere assorbiti dall'acqua nell'atmosfera e sono più adatti per misurazioni a lunga gittata. Al contrario, i laser infrarossi con lunghezze d'onda più lunghe possono essere utilizzati in applicazioni sicure per gli occhi, come robot che operano intorno agli esseri umani.

Tempo di Volo Indiretto (iToF)

A differenza del tempo di volo diretto, le telecamere con tempo di volo indiretto (iToF) calcolano la distanza illuminando l'intera scena con impulsi laser modulati continuamente e registrando lo spostamento di fase nei pixel del sensore. Le telecamere iToF sono in grado di catturare informazioni di distanza per l'intera scena in un solo colpo. A differenza del dToF, l'iToF non misura direttamente l'intervallo di tempo tra ogni impulso di luce.

Con una telecamera iToF, è possibile determinare la distanza di tutti i punti in una scena con un solo scatto.

Campi comuni dei sensori di profondità delle telecamere

• Veicoli autonomi: le telecamere con sensore di profondità forniscono ai veicoli autonomi le capacità di percezione ambientale necessarie, consentendo loro di identificare e evitare ostacoli mentre eseguono una navigazione e pianificazione del percorso accurate.
• Sicurezza e sorveglianza: le telecamere con sensore di profondità vengono utilizzate nel campo della sicurezza per il riconoscimento facciale, la sorveglianza di folle e la rilevazione di intrusioni, migliorando la sicurezza e la velocità di risposta.
• Realtà aumentata (AR): la tecnologia di sensore di profondità viene utilizzata nelle applicazioni di realtà aumentata per sovrapporre in modo preciso immagini virtuali al mondo reale, offrendo agli utenti un'esperienza immersiva.

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