---

Imagistică 3D

Prelucrarea industrială a imaginilor bidimensionale funcționează foarte bine pentru sarcinile de inspecție a suprafețelor plane. Imagistica 3D devine din ce în ce mai populară, deschizând noi posibilități de control automat în aplicații precum urmărirea persoanelor, robotica industrială, industria cinematografică și automatizarea logistică. Pe de altă parte, soluțiile de viziune 3D sunt adesea prea complicate și prea scumpe pentru multe aplicații tipice.

Unul dintre dispozitivele capabile să realizeze analiza tridimensională a mediului este camera Time Of Flight (ToF), care funcționează pe baza măsurării timpului de zbor al unui fascicul de lumină. Camerele ToF sunt instrumentul ideal pentru aplicațiile logistice și industriale, oferind o modalitate convenabilă de a simplifica inspecția și aplicațiile volumetrice. Camerele ToF pot scana o încăpere în trei dimensiuni, înregistrând simultan imagini bidimensionale. Acest dispozitiv înregistrează până la 4 milioane de măsurători de distanță pe secundă, fiecare cu o precizie de câțiva centimetri. Ca orice tehnologie, ToF are multe avantaje, dar și limitări. Cum funcționează exact o cameră Time Of Flight? Ce beneficii oferă și ce influențează măsurarea?

Imagistică 3D – Principiul de Funcționare

Cel mai simplu, o cameră ToF măsoară distanța la care se află un obiect prin măsurarea timpului de zbor al unui fascicul de lumină. O sursă de lumină precisă emite impulsuri luminoase modulate corespunzător, cu o durată de doar nanosecunde. Cerințele atât de precise privind durata impulsului necesită o iluminare adecvată, precum și o electronică de control. Ca surse de lumină sunt permise atât diodele LED, cât și sursele laser. Trebuie controlată nu numai intensitatea, ci și timpul de creștere și de descreștere a semnalului; o eroare de chiar și o nanosecundă poate duce la o eroare de măsurare de zeci de centimetri. Circuitele de control sincronizează cu precizie secvența de deschidere a obturatorului cu pulsarea luminii, astfel încât cât mai puțină lumină externă să ajungă la senzor. După acumularea sarcinii, aceasta este citită de un convertor analog-digital și transmisă unității de analiză. Fiecare pixel este o sursă de informații despre cât a durat timpul de așteptare pentru revenirea fasciculului într-o anumită porțiune a imaginii. Cu cât acest timp este mai lung, cu atât mai departe se află punctul de la care s-a reflectat. O singură citire a întregii matrici oferă informații complete despre obiectul observat și permite determinarea unui nor de puncte pe baza acestora.

Un exemplu de sarcină în care o cameră ToF se va descurca excelent. O undă luminoasă modulată se reflectă de obiecte și apoi se întoarce la cameră, oferind informații despre distribuția spațială a scenei.

Este demn de remarcat faptul că, foarte des, camerele ToF au și capacitatea de a înregistra o imagine obișnuită, color, similară cu cea oferită de camerele 2D standard. Datorită acestui fapt, nu este nevoie să se utilizeze o a doua cameră responsabilă pentru acest lucru. Acesta este un avantaj suplimentar în ceea ce privește compactitatea și funcționalitatea dispozitivului și, implicit, a întregului sistem de viziune potențial.

Comparația imaginilor obținute cu o cameră ToF (stânga) și o cameră monocromă 2D obișnuită (dreapta), pe baza schemei de mai sus. Imaginea de la camera ToF, pe lângă informațiile despre poziția obiectelor, oferă și date despre înălțimea acestora.

Imagistică 3D – Limitări

Tehnologia se bazează pe măsurarea căii unei unde luminoase precis modulată. Nu este greu de ghicit că orice altă lumină prezentă în spațiul de lucru al camerei va afecta negativ precizia măsurătorii. Prin urmare, tehnologia ToF garantează cea mai mare precizie de funcționare în întuneric complet. O undă luminoasă străină, provenind dintr-o altă sursă și propagându-se pe o altă cale, poate fi citită de senzorul camerei ca informație despre obiectul observat și poate falsifica măsurarea. Noile modele de dispozitive ToF se caracterizează printr-o precizie din ce în ce mai mare și asigură o funcționare eficientă, chiar și în condiții de iluminare puternică.

O altă problemă este prezența suprafețelor reflectorizante în zona de măsurare. O astfel de situație poate afecta, de asemenea, negativ rezultatele obținute. Razele care s-au îndreptat în afara sistemului se pot reflecta de pe aceste suprafețe și se pot îndrepta către senzorul camerei. Acest fascicul va reveni la dispozitiv, dar parcurgând o distanță mai mare decât cea care separă de fapt obiectul observat și senzorul. Prin urmare, măsurătorile suprafețelor mate sunt cele mai avantajoase.

Cea mai mare precizie o au măsurătorile efectuate în centrul zonei de lucru a camerei, deoarece la margini, din ce în ce mai puțină lumină emisă de cameră se întoarce la ea și, în plus, intră și lumină parazită. De asemenea, este important să mențineți temperatura camerei constantă.

Avantajele tehnologiei ToF sunt:

• Câmp de măsurare mare – în comparație cu alte tehnologii de imagistică 3D, camerele ToF sunt capabile să ofere informații spațiale despre întreaga zonă observată într-un singur moment și în timp real.
• Integrare rapidă și ușurință în utilizare – foarte des camerele ToF sunt calibrate de către producător, astfel încât întregul set este gata de utilizare imediat după despachetare. Un plus suplimentar este prezența interfețelor standard, cum ar fi Gigabit Ethernet, pentru comunicarea cu mediul de gestionare.
• Lipsa cerințelor de contrast – tehnologia ToF își bazează măsurătorile pe analiza dimensiunilor.
• Compactitate – întregul sistem este un singur dispozitiv.
• Fără elemente în mișcare – un plus suplimentar la compactitate și siguranță.
• Viteză mare de operare – o cameră ToF poate accelera și optimiza numeroase procese de producție.

Pe de altă parte, trebuie să fiți atenți la:

• Lumină externă puternică – poate afecta detaliile informațiilor primite.
• Lumină reflectată multiplu – oferă informații incorecte despre distanța obiectului observat.
• Aplicații în care precizia de ordinul centimetrilor nu este suficientă – este necesară o analiză cuprinzătoare a problemei date și alegerea celei mai bune soluții.

Imagistică 2D sau Imagistică 3D?

Există multe căi posibile pentru a rezolva o sarcină de viziune specifică. Uneori, alegerea între măsurătorile 2D și 3D este evidentă, dar în unele cazuri ambele tehnologii ar face față sarcinii, aducând în același timp beneficii diferite. Este important să înțelegeți aceste beneficii și modul în care se aplică la o anumită aplicație. Și toate acestea pentru a asigura o soluție fiabilă de viziune artificială. Aplicațiile tipice 2D implică aplicații în care culoarea sau textura este un element cheie, precum și dimensiunile, poziția și forma elementelor plane. Imagistica 3D, pe de altă parte, este utilă acolo unde dorim să analizăm capacitatea, forma întregului element sau poziția sa în coordonate 3D.

Camerele 3D, în loc de intensitate sau culoare, măsoară informații geometrice. Ele creează nori de puncte în care fiecare punct reprezintă coordonatele de pe suprafața obiectului. Datorită acestui fapt, devine posibilă determinarea formei, poziției și orientării obiectelor.

Ce tehnologie 3D să alegem?

Tehnologia ToF se distinge de celelalte tehnologii 3D prin gama sa largă de măsurare, prin faptul că poate funcționa atât în întuneric, cât și în lumină naturală și, mai presus de toate, prin compactitate (spre deosebire de metodele interferometrice sau iluminarea cu lumină structurată). Chiar și metoda stereoviziunii implică dimensiuni mai mari ale dispozitivului. ToF permite captarea dimensiunilor spațiale ale scenei și ale obiectelor instantaneu, fără a fi nevoie de componente mobile, de exemplu scanere laser. Cele mai precise informații sunt oferite de măsurătorile efectuate prin metode interferometrice. Acestea se caracterizează printr-o precizie de ordinul lungimii de undă a luminii utilizate. Din păcate, din acest motiv, au și o gamă de măsurare foarte mică.

Exemple de Aplicații

Camerele ToF au o aplicare largă în multe domenii industriale. Ele permit o abordare diferită a multor probleme din domeniul viziunii artificiale și pot eficientiza semnificativ numeroase procese. Tehnologia Time of Flight este utilizată, de exemplu, în „bin picking”. Brațul robotului selectează elementele așezate la întâmplare unul peste celălalt într-un container. Camera ToF, determinând poziția spațială a stratului superior, permite selectarea elementului care nu este acoperit de niciun altul și poate fi apucat fără probleme de brațul robotului. Un alt exemplu sunt toate aplicațiile de paletizare și depaletizare. Crearea unei hărți spațiale a obiectelor facilitează semnificativ procesul de configurare a sistemului pentru încărcarea automată a produselor. Camerele ToF se vor dovedi excelente și la verificarea completității încărcăturilor cu contrast scăzut, care nu sunt atât de ușor de observat cu o cameră 2D obișnuită.

Există, de asemenea, o cerere mare pentru tehnologia ToF în industria auto. Moda în creștere exponențială pentru mașini inteligente și autonome impune utilizarea unor dispozitive din ce în ce mai avansate pentru controlul mediului înconjurător. Senzorii ToF sunt ideali în acest sens, deoarece, furnizând informații despre obiectele care se apropie, permit o reacție rapidă a sistemelor de control și siguranță ale vehiculelor. Un rol identic îl pot îndeplini camerele ToF și în toate tipurile de rovere și roboți mobili, construiți atât amatorial, cât și de către companii comerciale.

Este, de asemenea, de menționat o curiozitate interesantă: cea mai utilizată cameră ToF din lume este Microsoft Kinect 2.0. Acest senzor de mișcare, creat pentru industria divertismentului, este un dispozitiv complet, bazat pe tehnologia timpului de zbor al fasciculului.