EIN Detaillierter Blick auf die 3D-Sensorik
Coherent ist ein führender Anbieter fortschrittlicher Beleuchtungslösungen für 3D-Sensoranwendungen.
Die Welt ist dreidimensional. Diese Aussage ist so offensichtlich, dass die meisten von uns nie hinterfragen, wie wir sie wahrnehmen. Tatsächlich aber fängt jedes unserer Augen ein flaches Bild ein – genau wie eine Kamera. Und nur in unserem Gehirn entsteht die Magie, aus diesen beiden flachen Bildern eine dreidimensionale Wahrnehmung zu erzeugen.
Heutzutage verlangen wir von digitalen Systemen zunehmend die Interaktion mit der 3D-Welt – sei es zur Interpretation von Gestensteuerungen, zur Gesichtserkennung oder zur automatischen Steuerung eines Fahrzeugs. Um diese Aufgaben zu erfüllen, müssen wir ihnen zumindest einen Teil unserer Fähigkeit zur Tiefenwahrnehmung verleihen.
TIEFENSENSOR
Für die 3D-(Tiefen-)Erfassung in der digitalen Bildgebung werden zwei grundlegende Ansätze verwendet: Triangulation und Flugzeitmessungen (ToF). Manchmal werden diese Techniken sogar kombiniert.
Die Triangulation basiert auf der Geometrie. Eine Form der Triangulation – das binokulare Sehen – ist die Funktionsweise des menschlichen 3D-Sehens (stereoskopisches Sehen). Wir haben zwei horizontal getrennte Augen. Das bedeutet, dass jedes Auge die Welt aus einem etwas anderen Blickwinkel sieht. Dieser Perspektivunterschied erzeugt eine Parallaxe, d. h. eine Verschiebung der Position eines Objekts relativ zum Hintergrund, je nachdem, mit welchem Auge man blickt. Unser Gehirn nutzt diese Parallaxeninformationen dann, um die Tiefe (Entfernung) von Objekten in unserem Sichtfeld zu erfassen und unsere einzige, einheitliche 3D-Wahrnehmung der Welt zu schaffen.
Stereosehen kann jedoch von den Lichtverhältnissen abhängen und erfordert deutlich strukturierte Oberflächen. Diese erschweren eine zuverlässige Umsetzung. Stattdessen verwenden Computer-Vision-Systeme eine andere Form der Triangulation, die auf „strukturiertem Licht“ basiert. Dies ist nur ein schicker Name für die Projektion eines Musters (z. B. eine Reihe von Linien oder zahlreiche Lichtpunkte) auf ein Objekt und die Analyse der Verzerrung dieses Musters aus einem etwas anderen Blickwinkel. Dies erfordert viel weniger Rechenleistung als die Wiederherstellung des echten binokularen Sehens und ermöglicht es einem Computer, Tiefeninformationen schnell zu berechnen und eine 3D-Szene zu rekonstruieren.
Bei einer Form der Triangulations-Tiefenerkennung wird ein strukturiertes Lichtmuster auf die Szene projiziert und ein Bildgebungssystem analysiert die Verzerrung dieses Musters, um Tiefeninformationen für den beleuchteten Bereich abzuleiten.
Triangulationsmethoden zeichnen sich durch die hochauflösende Kartierung von Oberflächen aus. Sie funktionieren am besten über kürzere Entfernungen und sind daher für Aufgaben wie die Gesichtserkennung sehr nützlich.
Time-of-Flight-Bildgebung (ToF) gibt es in zwei verschiedenen Formen. Bei der „direkten Flugzeit“ (dToF) wird die Szene mit Lichtimpulsen beleuchtet und das System misst die Zeit, die die reflektierten Lichtimpulse für die Rückkehr benötigen. Da die Lichtgeschwindigkeit bekannt ist, kann diese Rückkehrzeit sein Wenn diese Berechnung unabhängig für jedes Pixel in einem Bild durchgeführt wird, kann ein Tiefenwert an jedem Punkt in der Szene abgeleitet werden.
Die zweite Form von ToF ist „indirect Time-of-Flight“ (iToF). Die Beleuchtung ist hier ein kontinuierliches, moduliertes Signal. Das System misst die Phasenverschiebung dieser Modulation im zurückgegebenen Licht. Dies liefert die Daten, die zur Berechnung von Objektentfernungen verwendet werden.
Die ToF-Technologie zeichnet sich durch ihre Fähigkeit aus, schnell größere Flächen und Entfernungen zu messen. Dadurch eignet es sich ideal für Aufgaben wie das Scannen von Räumen in Virtual-Reality-Headsets oder die Hinderniserkennung für die Roboternavigation.
Die direkte Flugzeitmessung misst die Hin- und Rücklaufzeit von Lichtimpulsen und wandelt die Zeitintervalle in Entfernungsmessungen um.
ANFORDERUNGEN AN 3D-SENSOR-LICHTQUELLEN
Die Eigenschaften der Lichtquelle sind entscheidend für die Wirksamkeit und Genauigkeit sowohl der Triangulations- als auch der ToF-3D-Erfassungsmethoden. Für jede Anwendung gelten einzigartige Anforderungen an die Beleuchtung, es gibt jedoch auch bestimmte gemeinsame Anforderungen.
Die Triangulation profitiert von einer kohärenten Lichtquelle. Dies bietet eine größere Flexibilität hinsichtlich der erstellbaren Muster. Es ermöglicht ihnen auch, strukturierte Muster mit höherer Auflösung zu bilden und die Musterintegrität über größere Entfernungen aufrechtzuerhalten.
Eine Triangulationslichtquelle muss außerdem über stabile Strahlausrichtungseigenschaften verfügen. Jegliche Schwankungen dieser Werte können zu ungenauen Tiefenmessungen führen.
ToF-Systeme erfordern eine Lichtquelle, die entweder kurze, präzise Lichtimpulse (dToF) oder eine kontinuierliche Leistung aussenden kann, die bei hohen Frequenzen moduliert werden kann (iToF). Die Präzision des Pulstimings und der Modulationsfrequenz mit kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten ist für eine genaue Entfernungsmessung von größter Bedeutung.
ToF-Systeme, insbesondere solche, die Flutlicht zur Abdeckung großer Flächen oder großer Entfernungen verwenden, erfordern im Allgemeinen höhere Ausgangsleistungen als Triangulationssysteme. Dadurch wird sichergestellt, dass das zurückkommende Licht ausreichend intensiv ist, um erkannt zu werden, und dass das System auch bei hohem Umgebungslicht gut funktioniert.
Mit zunehmender Ausgangsleistung wird die Notwendigkeit einer Energieeffizienz (das Verhältnis von optischer Ausgangsleistung zu elektrischer Eingangsleistung) immer wichtiger. Effizienz wird insbesondere bei tragbaren (batteriebetriebenen) Geräten relevant.