Avicon

Przemysłowe przetwarzanie obrazów dwuwymiarowych sprawdza się bardzo dobrze przy zadaniach inspekcyjnych płaskich powierzchni. Coraz bardziej popularne staje także się obrazowanie 3D, które otwiera nowe możliwości automatycznej kontroli w takich aplikacjach jak śledzenie osób, przemysł zrobotyzowany, przemysł filmowy, automatyzacja logistyki. Z drugiej strony rozwiązania realizujące wizję 3D są często zbyt skomplikowane i zbyt drogie dla wielu typowych aplikacji.

Jednym z urządzeń zdolnym realizować trójwymiarową analizę otoczenia jest kamera Time Of Flight, która swoje działanie opiera na pomiarze czasu przelotu wiązki światła.  Kamery ToF są idealnym narzędziem do aplikacji logistycznych i przemysłowych, oferującym wygodny sposób uproszczenia inspekcji oraz aplikacji wolumetrycznych. Kamery ToF potrafią skanować pomieszczenie w trzech wymiarach, rejestrując jednocześnie obrazy dwuwymiarowe. Urządzenie to rejestruje nawet 4 miliony pomiarów odległości w czasie sekundy, każdy z nich z dokładnością do centymetrów. Jak wszystko, technologia ToF posiada wiele zalet, ale również ma swoje ograniczenia. Jak dokładnie działa kamera Time Of Flight? Jakie oferuje korzyści oraz co wpływa na pomiar?

Zasada działania

Najprościej rzecz ujmując kamera ToF mierzy dystans w jakim znajduje się obiekt poprzez pomiar czasu przelotu wiązki światła. Precyzyjne źródło światła wysyła odpowiednio modulowane impulsy świetlne, których czas trwania to zaledwie nanosekundy. Tak dokładne wymagania co do czasu trwania impulsu wymagają odpowiedniego oświetlenia, a także elektroniki sterującej. Jako źródło światła są dopuszczane zarówno diody LED jak i źródła laserowe. Kontrolowana musi być nie tylko intensywność, ale także czas narastania i opadania sygnału, ewentualny błąd o chociażby jedną nanosekundę może spowodować zakłamanie wyniku nawet o kilkadziesiąt centymetrów. Układy sterujące precyzyjnie synchronizują sekwencję otwarcia migawki z pulsowaniem światła tak, aby jak najmniej obcego światła dostało się do sensora. Po zakumulowaniu ładunku jest on odczytywany przez przetwornik analogowo – cyfrowy i przesyłany do jednostki analizującej. Każdy piksel jest źródłem informacji o tym, jak długi był czas oczekiwania na powrót wiązki w danym fragmencie obrazu. Im ten czas był dłuższy, tym dalej znajduje się punkt, od którego się odbił. Pojedynczy odczyt całej matrycy dostarcza pełnej informacji o obserwowanym obiekcie i daje możliwość wyznaczenia na jej podstawie chmury punktów. 

Przykład zadania, w którym świetnie sprawdzi się kamera ToF. Modulowana fala świetlna odbija się od obiektów a następnie wraca do kamery, dając informację o przestrzennym rozkładzie sceny. 

Co warte zaznaczenia, kamery ToF bardzo często mają możliwość rejestracji także zwyczajnego, kolorowego obrazu, takiego jakie dają standardowe kamery 2D. Dzięki temu nie ma potrzeby stosowania drugiej, odpowiedzialnej za to kamery. Jest to dodatkowy plus, jeśli chodzi o kompaktowość i funkcjonalność urządzenia i co za tym idzie, także całego potencjalnego systemu wizyjnego.

Porównanie obrazów uzyskanych za pomocą kamery ToF (po lewej) i zwykłej kamery monochromatycznej 2D (po prawej), na podstawie powyższego schematu. Obraz z kamery ToF poza informacją o położeniu obiektów, daje także dane na temat ich wysokości.

Ograniczenia

Technologia oparta jest na pomiarach drogi precyzyjnie modulowanej fali świetlnej. Nietrudno się domyślić, że każde inne światło obecne w przestrzeni roboczej kamery będzie negatywnie wpływać na dokładność pomiaru. Dlatego też technologia ToF najwyższą precyzję działania gwarantuje w kompletnej ciemni. Obca fala świetlna, pochodząca od innego źródła i propagująca się inną drogą, może zostać odczytana przez sensor kamery jako informacja o obserwowanym obiekcie i przekłamać pomiar. Nowe modele urządzeń ToF cechują się coraz większą precyzją i zapewniają sprawne działanie, nawet w warunkach jasnego oświetlenia.

Inną kwestią jest obecność lustrzanych powierzchni w obszarze pomiarowym. Taka sytuacja może także negatywnie wpłynąć na otrzymywane rezultaty. Promienie, które zmierzały poza układ, mogą odbić się od takich powierzchni i skierować się w stronę sensora kamery. Wiązka ta wróci do urządzenia, ale pokonując dłuższą odległość niż ta, jaka w rzeczywistości oddziela obserwowany obiekt i sensor. W związku z tym, najkorzystniej wypadają pomiary matowych powierzchni.

Najwyższą dokładnością cechują się pomiary wykonywane w centrum obszaru roboczego kamery, ponieważ na obrzeżach coraz mniej światła wysłanego przez kamerę do niej wraca i dodatkowo wchodzi też pasożytnicze światło. Ważne jest też, aby utrzymywać temperaturę kamery na stałym poziomie.

Zaletami technologii ToF są:

·        Duże pole pomiarowe – w stosunku do pozostałych technologii obrazowania 3D, kamery ToF są w stanie w jednej chwili dawać informację przestrzenną o całym obserwowanym obszarze i to w czasie rzeczywistym.

·        Szybka integracja oraz prostota użycia – bardzo często kamery ToF są kalibrowane już przez producenta, dzięki czemu cały zestaw jest gotowy do pracy tuż po wyjęciu z pudełka. Dodatkowym plusem jest obecność standardowych interfejsów, jak np. Gigabit Ethernet, do komunikacji z medium zarządzającym.

·        Brak wymagania co do kontrastu – technologia ToF opiera swoje pomiary na analizie gabarytów.

·        Kompaktowość – cały system to tylko jedno urządzenie.

·        Brak ruchomych elementów – dodatkowy plus do kompaktowości i bezpieczeństwa

·        Wysoka prędkość działania – kamera ToF może przyspieszyć i usprawnić nie jeden proces produkcyjny

Z drugiej strony należy uważać na:

·        Silne światło zewnętrzne – może wpłynąć na szczegółowość otrzymanych informacji

·        Wielokrotnie odbite światło – daje ono nieprawdziwą informację o odległości obserwowanego obiektu

·        Zastosowania, gdzie dokładność rzędu centymetrów nie jest wystarczająca – należy kompleksowo przeanalizować dany problem i dobrać najlepsze rozwiązanie

2D czy 3D?

Jest wiele możliwych ścieżek do rozwiązania specyficznego zadania wizyjnego. Czasami wybór pomiędzy pomiarami 2D a 3D jest oczywisty, ale w niektórych przypadkach obie technologie podołałyby danemu zdaniu, przynosząc przy tym różne korzyści. Ważne jest zrozumienie tych korzyści i tego, w jaki sposób ma to zastosowanie do danej aplikacji. A to wszystko w celu zapewnienia niezawodnego rozwiązania do widzenia maszynowego. Typowe zastosowania 2D wiążą się z aplikacjami, gdzie kolor czy tekstura jest kluczowym elementem, a także wymiary, położenie oraz kształt płaskich elementów. Obrazowanie w 3D sprawdzi się z kolei tam, gdzie chcemy analizować pojemność, kształt całego elementu lub jego położenie we współrzędnych 3D.

Kamery 3D zamiast intensywności czy koloru mierzą informacje geometryczne. Tworzą chmury punktów, w których każdy punkt reprezentuje współrzędne na powierzchni obiektu. Dzięki temu możliwe staje się określenie kształtu, pozycji oraz orientacji obiektów.

Którą technologię 3D wybrać?

Technologia ToF na tle pozostałych technologii 3D wyróżnia się wysokim zakresem pomiarowym, tym, że może pracować zarówno w ciemności jak i oświetleniu dziennym, a przede wszystkim kompaktowością (w przeciwieństwie do metod interferometrycznych czy oświetlenia światłem strukturalnym). Nawet metoda stereowizji wiąże się z większymi wymiarami urządzenia. ToF pozwala na uchwycenie przestrzennych wymiarów sceny i obiektów natychmiastowo, bez konieczności stosowania ruchomych komponentów np. skanerów laserowych. Najbardziej precyzyjne informacje dają pomiary wykonywane metodami interferometrycznymi. Cechują się one dokładnością rzędu długości stosowanej fali świetlnej. Niestety, z tego też względu mają bardzo mały zakres pomiaru.  

Przykładowe zastosowania

Kamery ToF znajdują szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu. Pozwalają inaczej podejść do wielu zagadnień z tematu widzenia maszynowego i znacznie usprawnić niejeden proces. Technologia Time of Flight jest stosowana np. przy „bin picking – u”. Ramię robota wybiera kolejne elementy ułożone na sobie losowo w kontenerze. Kamera ToF, wyznaczając przestrzenne położenie górnej warstwy, pozwala wybrać ten element, który nie jest przykryty prze żaden inny i może być bezproblemowo chwycony przez ramię robota. Innym przykładem są wszelkie zastosowania paletyzacji i depaletyzacji. Stworzenie przestrzennej mapy obiektów, znacznie ułatwia proces konfiguracji systemu do automatycznego załadunku produktów. Kamery ToF świetnie sprawdzą się także przy sprawdzaniu kompletności nisko kontrastowych ładunków, które nie tak łatwo zaobserwować zwykłą kamerą 2D.

Duży popyt na technologię ToF jest także w motoryzacji. Lawinowo rosnąca moda na inteligentne, a także autonomiczne samochody, wymusza stosowanie coraz to bardziej zaawansowanych urządzeń do kontroli otoczenia. Idealne do tego są sensory ToF, które podając informacje o zbliżających się obiektach, pozwalają na szybką reakcję systemów kontroli i bezpieczeństwa pojazdów. Identyczną rolę kamery ToF mogą pełnić także we wszelkiego rodzaju łazikach i robotów mobilnych, konstruowanych zarówno amatorsko, jak i przez komercyjne firmy.

Wartą do dodania jest także ciekawostka, że najpowszechniej używaną na świecie kamerą ToF jest Microsoft Kinect 2.0. Ten sensor ruchu, stworzony na potrzeby przemysłu rozrywkowego, jest pełnoprawnym urządzeniem, opartym na technologii czasu przelotu wiązki.