Tecnologías de detección 3D principales

Nuestro artículo anterior titulado “Sistemas de visión 3D:¿cuál es el adecuado para usted?” Cubrió los parámetros más importantes de los sistemas de visión 3D y cuáles son las ventajas y desventajas de que algunos parámetros sean bastante altos . Los parámetros discutidos incluyeron el volumen de escaneo, el tiempo de procesamiento y adquisición de datos, la resolución, la exactitud y la precisión, la solidez, el diseño y la conectividad, y la relación precio/rendimiento.

Cada uno de estos parámetros juega su papel en aplicaciones específicas, donde un parámetro es clave, otro puede ser menor y viceversa.

Nos referiremos a estos parámetros para una mejor comparación de las tecnologías individuales detrás de los sistemas de visión 3D y las posibilidades que brindan.

Tecnologías de detección 3D

Las tecnologías que impulsan los sistemas de visión 3D se pueden dividir en dos grupos principales . Uno usa el tiempo de vuelo el principio y el otro el principio de triangulación :

A. Hora de vuelo

• Exploración de área
• LIDAR

B. Métodos basados ​​en triangulación

• Triangulación láser (o perfilometría)
• Fotogrametría
• Visión estereoscópica (pasiva y activa)
• Luz estructurada (un cuadro, varios cuadros)
• La nueva tecnología de “luz estructurada paralela”

Este artículo discutirá las diferencias básicas entre estas técnicas. Luego, se centrará en un aspecto importante con el que todos luchan y ninguno de ellos puede abordarlo satisfactoriamente, excepto uno. Este aspecto es la captura de datos de alta calidad de escenas en movimiento . Existe una tecnología única y novedosa que permite escanear instantáneamente el área de objetos que se mueven rápidamente con alta calidad, eliminando así la necesidad de comprometer la calidad y la velocidad . Este método se trata al final de este artículo. Pero vayamos paso a paso.

Tiempo de vuelo (ToF)

Los sistemas ToF se basan en medir el tiempo durante el cual una señal de luz emitida por la fuente de luz golpea el objeto escaneado y regresa al sensor . Si bien la velocidad de escaneo es relativamente alta, la limitación es la velocidad de la luz misma. Incluso un pequeño error en el cálculo del momento de incidencia de la luz puede resultar en un error de medición que va desde milímetros hasta centímetros. Otra limitación es que estos sensores proporcionan una resolución relativamente baja.

Hay dos técnicas distintivas que utilizan el enfoque ToF:LiDAR y detección de área.

LIDAR

Los sistemas LiDAR muestran uno (o algunos) puntos 3D a la vez . Durante el escaneo, cambian la posición o la orientación del sensor para escanear todo el volumen operativo.

Sensor de área ToF

Los sistemas ToF basados ​​en detección de área utilizan un sensor de imagen especial para medir el tiempo para múltiples mediciones en una instantánea 2D . No proporcionan una calidad de datos tan alta como los sistemas LiDAR, pero son adecuados para aplicaciones dinámicas que bastan con una baja resolución . Un inconveniente particular de este método son las interreflexiones entre las partes de la escena, que pueden causar mediciones incorrectas.

Los sistemas ToF son bastante populares debido al atractivo precio de los dispositivos de consumo diseñados principalmente para la interacción humano-computadora.

Métodos basados ​​en triangulación

Los sistemas basados ​​en triangulación observan escenas desde dos perspectivas, que forman una línea de base. La línea de base y el punto inspeccionado forman un triángulo:al medir los ángulos de este triángulo, podemos calcular las coordenadas 3D exactas . La longitud de la línea de base y la precisión de recuperar los ángulos afectan fuertemente la precisión de un sistema.

Triangulación láser =Perfilometría

La triangulación láser es uno de los métodos de detección 3D más populares. Proyecta una banda estrecha de luz (o un punto) sobre una superficie 3D, lo que produce una línea de iluminación que aparecerá distorsionada desde un ángulo diferente al del proyector . Esta desviación codifica información de profundidad.

Debido a que captura un perfil a la vez, el sensor o el objeto deben moverse, o el perfil láser debe escanear la escena para crear una instantánea completa.

Para reconstruir la profundidad de un solo perfil, este método requiere la captura de una imagen de escaneo de área estrecha, cuyo tamaño limita la velocidad de fotogramas y, en consecuencia, también la velocidad de escaneo. Además, el cálculo de la profundidad puede volverse bastante complicado, ya que se basa en encontrar máximos de intensidad en imágenes 2D capturadas, lo cual es un problema complejo por sí solo.

Fotogrametría

La fotogrametría es una técnica que calcula la reconstrucción 3D de un objeto a partir de un elevado número de imágenes 2D no registradas . De manera similar a la visión estéreo, se basa en la textura del objeto, pero puede beneficiarse de múltiples muestras del mismo punto con una línea de base alta. La fotogrametría se puede utilizar como alternativa a los sistemas LiDAR.

Visión estereoscópica

La visión estéreo se basa en el cálculo del triángulo:cámara – objeto escaneado – cámara, imitando la percepción de profundidad humana.

El estéreo estándar busca correlaciones entre dos imágenes (deben tener una textura/detalles idénticos) y en función de la disparidad, identifica la distancia (profundidad) del objeto. Debido a esta dependencia del material de un objeto, estéreo 3D pasivo se utiliza para aplicaciones que no miden nada, como contar personas.

Para compensar esta desventaja, un estéreo activo Se desarrolló un sistema de visión. Este método proyecta un patrón de luz sobre la superficie para crear una textura artificial en la superficie y correspondencias en la escena . Sin embargo, la identificación de correspondencias y la medición de un solo punto de profundidad requiere varios píxeles vecinos, lo que da como resultado un número bajo de puntos medidos con una robustez generalmente más baja.

El cálculo de profundidad se basa en un análisis de correspondencias entre el par de imágenes estéreo, cuya complejidad aumenta con el tamaño de la ventana de coincidencia y el rango de profundidad. Para cumplir con los estrictos requisitos de tiempo de procesamiento, la calidad de la reconstrucción a menudo se ve comprometida, lo que hace que el método sea insuficiente para ciertas aplicaciones.

Luz estructurada

Otro método que también pertenece a los enfoques de triangulación ilumina el objeto escaneado con la llamada luz estructurada. El triángulo se extiende entre un proyector, el objeto escaneado y una cámara . Dado que este método permite capturar la instantánea 3D completa de una escena sin necesidad de mover ninguna parte, la tecnología de luz estructurada proporciona un alto nivel de rendimiento y flexibilidad. .

Se utilizan técnicas de proyección sofisticadas para crear un patrón estructurado codificado que codifica información 3D directamente en la escena . Luego, la cámara y los algoritmos internos analizan esta información, lo que proporciona un alto nivel de precisión y resolución .

Los sistemas de luz estructurada de mayor resolución disponibles en el mercado utilizan múltiples fotogramas de la escena, cada uno con un patrón estructurado proyectado diferente. Esto garantiza una información 3D por píxel de alta precisión, pero requiere una escena estática. en el momento de la adquisición.

Uno de los mayores inconvenientes de los enfoques basados ​​en proyecciones es la profundidad de campo (o rango de profundidad). Para mantener el proyector enfocado, el sistema necesita una apertura estrecha. Esto no es ópticamente eficiente, ya que la luz bloqueada genera calor adicional y reflejos internos en el sistema de proyección. Esto limita el uso de esta tecnología para rangos de mayor profundidad .

Photoneo resolvió este problema con un láser que crea patrones estructurados. Los sistemas Photoneo proporcionan un rango de profundidad casi ilimitado , y también la posibilidad de usar filtros de paso de banda estrechos para bloquear la luz ambiental .

Para una aplicación en movimiento, se debe utilizar un enfoque de cuadro único . Una técnica convencional consiste en codificar las características distintivas de los sistemas de múltiples cuadros en un patrón estructurado, con un fuerte impacto en la resolución XY y Z. Similar a los sistemas ToF, hay productos basados ​​en el consumidor disponibles en esta categoría.

Luz estructurada en paralelo

Hay solo un método que puede superar las limitaciones de escanear escenas en movimiento .

La nueva tecnología patentada llamada Luz Estructurada Paralela fue desarrollado por Photoneo y permite la captura de objetos en movimiento en alta calidad . El método utiliza luz estructurada en combinación con un sensor de imagen CMOS con obturador de mosaico patentado.

Mientras que el método de luz estructurada captura secuencialmente los patrones codificados por el proyector, la tecnología de luz estructurada en paralelo captura varias imágenes de luz estructurada en paralelo. – este es el cambio de juego factor. Debido a que la adquisición de imágenes de una superficie 3D requiere múltiples fotogramas, la salida de escanear un objeto en movimiento con el método de luz estructurada se distorsionaría. La tecnología de Luz Estructurada Paralela captura una escena dinámica mediante la reconstrucción de su imagen 3D a partir de una sola toma del sensor .

El sensor especial consta de bloques de superpíxeles que se dividen a su vez en subpíxeles. El láser procedente de un proyector de luz estructurada está encendido todo el tiempo, mientras que las exposiciones de los píxeles individuales se activan y desactivan de forma codificada. De esta manera, hay una proyección y una imagen capturada, pero esta imagen contiene varias subimágenes, cada una iluminada virtualmente por un patrón de luz diferente.

El resultado es muy similar al de múltiples imágenes a lo largo del tiempo, con la diferencia de que este nuevo método las adquiere simultáneamente =por eso “Luz Estructurada Paralela”. Otra ventaja de esta técnica es la posibilidad de cambiar el sensor al modo secuencial y obtener una resolución completa de 2 MP con calidad de metrología.

La tecnología de Luz Estructurada Paralela ofrece así la alta resolución de sistemas de luz estructurada de múltiples cuadros y adquisición rápida de un cuadro de los sistemas ToF.

Photoneo implementó esta tecnología en su cámara 3D MotionCam-3D , desarrollando así la cámara 3D de escaneo de área de mayor resolución y precisión que es capaz de capturar objetos en movimiento .

Conclusión

Este artículo presentó una pluralidad de métodos de visión 3D y explicó sus ventajas y puntos débiles específicos. La mayoría de los métodos 3D de última generación hacen un compromiso entre calidad y velocidad, ya sea debido a un proceso de adquisición exigente o un procesamiento de datos complejo. La única tecnología que ofrece simultáneamente calidad y velocidad es la luz estructurada en paralelo basada en el sensor CMOS original de Photoneo. Este nuevo método amplía la gama de posibles aplicaciones y permite la automatización donde antes no era posible.