Le telecamere 2D tradizionali vedono solo un mondo piatto e bidimensionale. Possono riconoscere la forma e il colore degli oggetti, ma non riescono a capire la loro posizione, dimensione o distanza nello spazio. Ciò limita le capacità di molte applicazioni avanzate di robotica e automazione. L'emergere di telecamere per il rilevamento della profondità ha cambiato questo. Offrono alle macchine una nuova capacità di percezione "tridimensionale", consentendo ai sistemi di comprendere lo spazio simile agli umani, aprendo un vasto spazio applicativo per la visione incorporata e le soluzioni di percezione 3D.
Come consulente specializzato nei moduli della fotocamera, questo articolo fornirà un'analisi approfondita della tecnologia della telecamera per il rilevamento della profondità, i suoi tipi principali e le sue applicazioni in robotica, logistica e AR/VR. Esploreremo le caratteristiche di ciascuna tecnologia per aiutare gli ingegneri a capire come funzionano le telecamere per il rilevamento della profondità e fare la scelta più informata per i loro progetti.
Che cos'è una fotocamera per la sensazione di profondità e perché ne abbiamo bisogno?
A telecamera per il rilevamento della profondità, spesso spesso definita una fotocamera 3D, è una fotocamera in grado di acquisire informazioni di profondità per ogni pixel in una scena. Output non solo un'immagine RGB tradizionale ma anche una mappa di profondità o dati di cloud punti. Ogni valore di pixel in una mappa di profondità rappresenta la distanza tra quel punto e la fotocamera.
Sono necessarie telecamere 3D perché le immagini 2D non possono risolvere un problema fondamentale nella visione: ambiguità spaziale. Una fotocamera 2D non è in grado di distinguere tra un piccolo appuntamento e un oggetto di grandi dimensioni lontano. Inoltre, le variazioni di illuminazione, le ombre e le occlusioni possono causare il fallimento dei sistemi di visione 2D. Ad esempio, un oggetto in ombra può essere scambiato per un altro oggetto o semplicemente non essere rilevato.
Le telecamere di profondità affrontano perfettamente questo problema fornendo informazioni sulla distanza precise. Forniscono macchine con informazioni geometriche che non sono influenzate da illuminazione, colore e consistenza. Questa capacità di percezione basata sulla forma 3D consente alle macchine di comprendere e interagire con il mondo reale, gettando le basi per la realizzazione di soluzioni di percezione 3D di visione incorporate.
Di tutte le tecnologie di rilevamento della profondità disponibili oggi, le tre più popolari e comunemente usate sono:
1. Luce strutturata
2. Tempo di volo
2.1 Tempo di volo diretto (DTOF)
2.1.1 Lidar
2.2 Tempo indiretto di volo (ITOF)
3. Visione stereo
Quindi, diamo un'occhiata più da vicino a come funziona ciascuna di queste tecnologie di rilevamento della profondità.
Tre tecnologie tradizionali per le telecamere di profondità
Per capire come funzionano le telecamere per il rilevamento della profondità, è importante avere una profonda comprensione dei tipi fondamentali di tecnologia della fotocamera di profondità dietro di loro. Attualmente, ci sono tre principali tecnologie di fotocamere per la profondità mainstream.
1. Camera leggera strutturata
Una fotocamera leggera strutturata è una tecnologia di imaging attivo. Utilizza un proiettore a infrarossi ad alta potenza per proiettare un modello di luce noto, come un modello specifico composto da migliaia di punti, su una scena. Usa quindi una o più telecamere per catturare la distorsione di questo modello sulla superficie di un oggetto. Calcolando questa distorsione, la fotocamera può dedurre la forma e la distanza 3D dell'oggetto.
Questa tecnologia fornisce dati di profondità altamente accurati e ad alta risoluzione, soprattutto a distanza ravvicinata. La sua capacità di misurazione del sottostudio eccelle in applicazioni che richiedono una misurazione precisa dei dettagli dell'oggetto. Tuttavia, la luce proiettata può essere influenzata dalla luce ambientale (specialmente forte luce solare), che influenza l'accuratezza della misurazione. Inoltre, quando vengono utilizzate più telecamere di luce strutturate nello stesso spazio, i loro modelli di proiezione possono interferire tra loro.
2. Camera del tempo di volo
Le telecamere del tempo di volo, basate sul principio della velocità costante della luce, emettono la luce a infrarossi e misurano il tempo impiegato per l'impulso di luce per riflettere sul sensore della fotocamera. Sulla base di questa differenza di tempo, la distanza tra l'oggetto e la fotocamera può essere calcolata accuratamente. Questo processo viene in genere eseguito in parallelo ad ogni pixel, consentendo l'acquisizione di profondità ad alta tasso.
A seconda del metodo utilizzato per determinare la distanza, TOF è classificato in due tipi: tempo di volo diretto (DTOF) e tempo di volo indiretto (ITOF).
2.1. Diretto tempo di volo (DTOF)
DTOF misura direttamente il tempo di volo di un impulso luminoso dall'emissione al ritorno. Utilizza un sensore dedicato per rilevare con precisione il tempo di arrivo dei singoli fotoni. Questo metodo di misurazione diretta consente distanze di misurazione più lunghe e una maggiore precisione.
2.1.1.lidar
Lidar (radar laser) è un tipo di tecnologia DTOF. In genere utilizza uno scanner laser per emettere luce laser punto per punto in una scena e ricevere la luce riflessa per generare una nuvola di punti ad alta precisione. La lunga gamma di rilevamento di Lidar e la forte resistenza alla luce ambientale lo rendono ideale per la guida autonoma e la mappatura ad alta precisione per i robot.
2.2.Insect Time of-Flight (ITOF)
ITOF non misura il tempo direttamente. Invece, trasmette un'onda di luce modulata continua e misura la differenza di fase tra la luce riflessa ed emessa. Questa differenza di fase è proporzionale al tempo di volo della luce. I sistemi ITOF sono generalmente più compatti, consumano meno potenza e raggiungono velocità di frame più elevate. Sono adatti per applicazioni interne a corto raggio come il riconoscimento dei gesti e l'autenticazione facciale.
3. Camera della visione stereo
Una videocamera stereo imita la visione binoculare umana. Utilizza due telecamere, montate a una distanza di base fissa, per catturare contemporaneamente la stessa scena. Usando algoritmi complessi, il sistema trova punti corrispondenti nelle due immagini e, usando i principi di triangolazione, calcola la posizione di ciascun punto nello spazio tridimensionale, generando una mappa della disparità.
Questa tecnologia passiva non richiede alcuna fonte di luce aggiuntiva, rendendolo adatto per uso esterno e ambienti con ampia luce naturale. Fornisce mappe di profondità ad alta risoluzione che non sono influenzate dal materiale oggetto. Tuttavia, la visione stereo è intensiva dal punto di vista computazionale e richiede un potente processore per eseguire la corrispondenza delle immagini. Lotta anche nelle aree senza testure (come pareti bianche o superfici a colori solidi) perché l'algoritmo non riesce a trovare punti corrispondenti.
| Proprietà | Luce strutturata | Visione stereo | Lidar | dtof | iTof |
| Principio | Distorsione del modello proiettato | Confronto di immagini a doppia fotocamera | Tempo di volo della luce riflessa | Tempo di volo della luce riflessa | Spostamento di fase dell'impulso di luce modulata |
| Complessità del software | Alto | Alto | BASSO | BASSO | Medio |
| Costo | Alto | BASSO | Variabile | Basso | Medio |
| Precisione | A livello micrometro | Livelli di centimetro | Gamma-dipendente | Millimetro a centimetro | Millimetro a centimetro |
| Gamma operativa | Corto | ~ 6 metri | Altamente scalabile | Scalabile | Scalabile |
| Prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione | Bene | Debole | Bene | Bene | Bene |
| Performance all'aperto | Debole | Bene | Bene | Moderare | Moderare |
| Velocità di scansione | Lento | Medio | Lento | Veloce | Molto veloce |
| Compattezza | Medio | Basso | Basso | Alto | Medio |
| Consumo energetico | Alto | Da basso a scalabile | Alto a scalabile | Medio | Scalabile a medio |
Quali sono gli scenari di applicazione di base delle telecamere di profondità?
La tecnologia della fotocamera 3D è passata dal laboratorio all'uso commerciale e le sue diverse capacità stanno rivoluzionando vari settori.
1. Robotica e automazione
Le telecamere di profondità per la robotica fungono da "organi di percezione spaziale" dei robot. Nelle linee di produzione automatizzate, i robot devono identificare e comprendere accuratamente i pezzi impilati in modo casuale . 3 d telecamere possono generare dati di cloud di punti altamente accurati, aiutando i robot a comprendere la posa tridimensionale e la posizione degli oggetti, consentendo una presa, l'ordinamento e il montaggio precisi, migliorando significativamente l'efficienza della produzione e la flessibilità.
2. Realtà aumentata (AR) e realtà virtuale (VR)
I dispositivi AR/VR richiedono una consapevolezza ambientale in tempo reale per integrare perfettamente gli oggetti virtuali nel mondo reale. Le telecamere di profondità possono eseguire una scansione tridimensionale della stanza dell'utente e generare una mappa di profondità accurata. Ciò consente agli oggetti virtuali di essere posizionati accuratamente su un tavolo o nascosti dietro oggetti reali, migliorando significativamente l'esperienza coinvolgente e interattiva dell'utente.
3. Logistica e gestione del magazzino
I depositi automatizzati, la misurazione del volume dei pacchetti e la palletizzazione sono requisiti fondamentali nel settore logistico.Telecamere 3dPuò misurare rapidamente il volume e il peso dei pacchetti per ottimizzare il caricamento del camion. Nei magazzini automatizzati, possono guidare i robot per raccogliere e posizionare accuratamente gli articoli dagli scaffali ed eseguire conteggi di inventario, consentendo una gestione efficiente del magazzino.
4. Assistenza sanitaria e biometria
Nel campo sanitario, le telecamere 3D possono essere utilizzate per la misurazione del corpo senza contatto, l'analisi della postura e la pianificazione chirurgica. Attraverso la scansione 3D, le telecamere di profondità possono generare modelli umani per protesi e ortetici personalizzati. In biometria, possono identificare una geometria facciale unica per fornire un'autenticazione più sicura e prevenire lo spoofing fotografico o video.
Riepilogo
Le telecamere per il rilevamento della profondità rappresentano un significativo progresso tecnologico nel campo di visione incorporato. Sia la luce strutturata, il tempo di volo o la visione binoculare, ogni tecnologia offre soluzioni uniche per la percezione 3D. Comprendere i principi e le caratteristiche di questi tipi di telecamere di profondità e selezionarli accuratamente in base allo scenario dell'applicazione (come le telecamere di profondità per la robotica) è essenziale per ogni ingegnere della visione macchina. Le telecamere di profondità autorizzano le macchine con la capacità di percepire il mondo tridimensionale e stanno guidando una profonda trasformazione dall'automazione all'intelligenza.
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