نظرة متعمقة على الاستشعار ثلاثي الأبعاد

Coherent هي شركة رائدة في مجال توفير حلول الإضاءة المتقدمة لتطبيقات الاستشعار ثلاثي الأبعاد.

العالم ثلاثي الأبعاد. هذا البيان واضح جدًا لدرجة أن معظمنا لا يتساءل أبدًا عن كيفية إدراكه له. لكن في الواقع، تلتقط كل عين منا صورة مسطحة، تمامًا مثل الكاميرا. وفي أدمغتنا فقط يحدث سحر تكوين إدراك ثلاثي الأبعاد من هاتين الصورتين المسطحتين.

اليوم، نطلب بشكل متزايد من الأنظمة الرقمية التفاعل مع العالم ثلاثي الأبعاد - سواء كان ذلك لتفسير عناصر التحكم الإيمائية، أو التعرف على الوجه، أو قيادة السيارة تلقائيًا. لإنجاز هذه المهام، نحتاج إلى منحهم على الأقل بعضًا من قدرتنا على إدراك العمق.


استشعار العمق
هناك طريقتان أساسيتان تستخدمان للاستشعار ثلاثي الأبعاد (العمق) في التصوير الرقمي: قياسات التثليث ووقت الرحلة (ToF). في بعض الأحيان يتم الجمع بين هذه التقنيات.

يعتمد التثليث على الهندسة. أحد أشكال التثليث - الرؤية الثنائية - هي الطريقة التي تعمل بها الرؤية البشرية ثلاثية الأبعاد (المجسمة). لدينا عينان مفصولتان أفقيًا. وهذا يعني أن كل عين ترى العالم من زاوية مختلفة قليلاً. يؤدي هذا الاختلاف في المنظور إلى إنشاء اختلاف المنظر، مما يعني حدوث تحول في موضع الجسم بالنسبة للخلفية اعتمادًا على العين التي تنظر بها. تستخدم أدمغتنا بعد ذلك معلومات المنظر هذه لاستشعار عمق (مسافة) الأشياء في مجال رؤيتنا وإنشاء تصورنا الفردي الموحد ثلاثي الأبعاد للعالم.

لكن الرؤية المجسمة يمكن أن تعتمد على ظروف الإضاءة وتتطلب أسطحًا مميزة. هذه تجعل من الصعب تنفيذها بشكل موثوق. وبدلا من ذلك، تستخدم أنظمة الرؤية الحاسوبية شكلا آخر من أشكال التثليث الذي يعتمد على "الضوء المنظم". هذا مجرد اسم فاخر لإسقاط نمط (مثل سلسلة من الخطوط أو العديد من نقاط الضوء) على كائن وتحليل تشويه هذا النمط من زاوية مختلفة قليلاً. وهذا يتطلب قوة معالجة أقل بكثير من إعادة إنشاء رؤية مجهرية حقيقية، كما أنه يمكّن الكمبيوتر من حساب معلومات العمق بسرعة وإعادة بناء مشهد ثلاثي الأبعاد.

في أحد أشكال استشعار عمق التثليث، يتم عرض نمط ضوء منظم على المشهد، ويقوم نظام التصوير بتحليل تشويه هذا النمط لاستخلاص معلومات العمق للمنطقة المضيئة.

تتفوق طرق التثليث في رسم خرائط عالية الدقة للأسطح. إنها تعمل بشكل أفضل على مسافات أقصر، مما يجعلها مفيدة جدًا لمهام مثل التعرف على الوجه.

يأتي تصوير وقت الرحلة (ToF) في شكلين مختلفين. في "زمن الرحلة المباشر" (dToF)، يُضاء المشهد بنبضات من الضوء، ويقوم النظام بقياس الوقت الذي تستغرقه نبضات الضوء المنعكسة للعودة. وبما أن سرعة الضوء معروفة، فيمكن تحديد وقت العودة هذا. يتم تحويلها مباشرة إلى مسافة إذا تم إجراء هذا الحساب بشكل مستقل لكل بكسل في الصورة، فيمكن استخلاص قيمة العمق عند كل نقطة في المشهد.

الشكل الثاني من ToF هو "زمن الرحلة غير المباشر" (iToF). هنا، الإضاءة عبارة عن إشارة مستمرة ومعدلة. يقيس النظام تحول الطور لهذا التعديل في الضوء المرتجع. يوفر هذا البيانات المستخدمة لحساب مسافات الكائنات.

تتألق تقنية ToF في قدرتها على القياس على مساحات ومسافات أكبر بسرعة. وهذا يجعلها مثالية لمهام مثل مسح الغرفة في سماعات الواقع الافتراضي أو اكتشاف العوائق أثناء التنقل بواسطة الروبوت.

يقيس استشعار وقت الرحلة المباشر وقت السفر ذهابًا وإيابًا لنبضات الضوء ويحول الفواصل الزمنية إلى قياسات المسافة.

متطلبات مصدر الضوء للاستشعار ثلاثي الأبعاد
تعتبر خصائص مصدر الضوء حاسمة في تحديد فعالية ودقة كل من طرق التثليث والاستشعار ToF 3D. يحتوي كل تطبيق على متطلبات إضاءة فريدة، على الرغم من أن لديهم أيضًا احتياجات مشتركة معينة.

يستفيد التثليث من مصدر ضوء متماسك. وهذا يوفر مرونة أكبر فيما يتعلق بالأنماط التي يمكن إنشاؤها. كما أنها تمكنهم من تكوين أنماط منظمة عالية الدقة والحفاظ على سلامة الأنماط على مسافات أطول.

يحتاج مصدر الضوء التثليث أيضًا إلى خصائص توجيه شعاع ثابتة. أي تقلبات في هذه يمكن أن تؤدي إلى قياسات عمق غير دقيقة.

تتطلب أنظمة ToF مصدرًا ضوئيًا قادرًا على إصدار نبضات ضوئية قصيرة ودقيقة (dToF) أو خرج مستمر يمكن تعديله بترددات عالية (iToF). تعد الدقة في توقيت النبض وتردد التعديل مع أوقات الارتفاع والهبوط القصيرة أمرًا بالغ الأهمية لقياس المسافة بدقة.

تتطلب أنظمة ToF، خاصة تلك التي تستخدم إضاءة الفيضانات لتغطية مساحات كبيرة أو مسافات طويلة، قوى إخراج أعلى من أنظمة التثليث. وهذا يضمن أن ضوء الإرجاع سيكون له كثافة كافية ليتم اكتشافه، وأن النظام سيعمل بشكل جيد مع مستويات عالية من الضوء المحيط.

مع زيادة طاقة الخرج، تصبح الحاجة إلى كفاءة الطاقة (نسبة طاقة الخرج الضوئية إلى الطاقة الكهربائية المدخلة) أكثر أهمية. تصبح الكفاءة ذات أهمية خاصة للأجهزة المحمولة (التي تعمل بالبطارية).