3D 감지에 대한 심층적인 살펴보기

코히런트는 3D 감지 응용 분야를 위한 고급 조명 솔루션을 제공하는 선도적인 공급업체입니다.

세상은 3차원입니다. 그 진술은 너무나 명백해서 우리 대부분은 그것을 어떻게 인식하는지 결코 의문을 제기하지 않습니다. 그러나 사실 우리의 눈은 카메라처럼 평면적인 이미지를 포착합니다. 그리고 이 두 개의 평면 이미지로부터 3D 인식을 형성하는 마법이 일어나는 것은 우리 뇌에서만 발생합니다.

오늘날 우리는 제스처 제어 해석, 얼굴 인식 수행, 차량 자동 조종 등 디지털 시스템이 3D 세계와 상호 작용하도록 점점 더 요구하고 있습니다. 이러한 작업을 수행하려면 깊이를 인식하는 능력 중 최소한 일부를 제공해야 합니다.


깊이 감지
디지털 이미징의 3D(깊이) 감지에 사용되는 두 가지 기본 접근 방식은 삼각 측량과 ToF(Time-of-Flight) 측정입니다. 때로는 이러한 기술이 결합되기도 합니다.

삼각측량은 기하학을 기반으로 합니다. 삼각 측량의 한 형태인 양안 시야는 인간의 3D(입체) 시야가 작동하는 방식입니다. 우리는 수평으로 분리된 두 눈을 가지고 있습니다. 이는 각 눈이 세상을 약간 다른 각도에서 본다는 것을 의미합니다. 이러한 원근의 차이는 시차를 생성합니다. 즉, 어느 눈으로 보고 있는지에 따라 배경에 대한 물체의 위치가 이동한다는 의미입니다. 그런 다음 우리의 두뇌는 이 시차 정보를 사용하여 시야에 있는 물체의 깊이(거리)를 감지하고 세계에 대한 단일하고 통합된 3D 인식을 생성합니다.

그러나 스테레오 비전은 조명 조건에 따라 달라질 수 있으며 뚜렷한 질감의 표면이 필요합니다. 이로 인해 안정적으로 구현하기가 어렵습니다. 대신, 컴퓨터 비전 시스템은 "구조화된 조명"에 의존하는 또 다른 형태의 삼각 측량을 사용합니다. 이것은 패턴(예: 일련의 선 또는 수많은 빛의 점)을 물체에 투영하고 이 패턴의 왜곡을 약간 다른 각도에서 분석하는 것을 위한 멋진 이름일 뿐입니다. 이는 실제 양안 시력을 재현하는 것보다 훨씬 적은 처리 능력을 사용하며 컴퓨터가 깊이 정보를 빠르게 계산하고 3D 장면을 재구성할 수 있게 해줍니다.

삼각 측량 깊이 감지의 한 형태에서는 구조화된 광 패턴이 장면에 투사되고, 이미징 시스템이 이 패턴의 왜곡을 분석하여 조명된 영역에 대한 깊이 정보를 도출합니다.

삼각측량 방법은 표면의 고해상도 매핑에 탁월합니다. 단거리에서 가장 잘 작동하므로 얼굴 인식과 같은 작업에 매우 유용합니다.

ToF(Time-of-Flight 이미징)는 두 가지 형태로 제공됩니다. "직접 비행 시간"(dToF)에서 장면은 빛의 펄스로 조명되고 시스템은 반사된 빛 펄스가 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정합니다. 빛의 속도가 알려져 있으므로 이 반환 시간은 다음과 같습니다. 이 계산을 이미지의 각 픽셀에 대해 독립적으로 수행하면 장면의 각 지점에서 깊이 값을 파생할 수 있습니다.

ToF의 두 번째 형태는 "간접 비행 시간"(iToF)입니다. 여기서 조명은 연속적인 변조 신호입니다. 시스템은 반환된 빛에서 이러한 변조의 위상 변화를 측정합니다. 이는 물체 거리를 계산하는 데 사용되는 데이터를 제공합니다.

ToF 기술은 더 넓은 영역과 거리를 빠르게 측정할 수 있다는 점에서 빛을 발합니다. 이는 가상 현실 헤드셋의 공간 스캐닝이나 로봇 내비게이션의 장애물 감지와 같은 작업에 이상적입니다.

직접 비행 시간 감지는 광 펄스의 왕복 이동 시간을 측정하고 시간 간격을 거리 측정으로 변환합니다.

3D 감지 광원 요구 사항
광원의 특성은 삼각측량 및 ToF 3D 감지 방법의 효율성과 정확성을 결정하는 데 매우 중요합니다. 각각의 응용 분야에는 고유한 조명 요구 사항이 있지만 특정 공통 요구 사항도 있습니다.

삼각 측량은 일관된 광원의 이점을 제공합니다. 이는 생성할 수 있는 패턴 측면에서 더 큰 유연성을 제공합니다. 또한 더 높은 해상도의 구조화된 패턴을 형성하고 더 먼 거리에서도 패턴 무결성을 유지할 수 있습니다.

삼각 측량 광원은 또한 안정적인 빔 포인팅 특성을 가져야 합니다. 이러한 변동으로 인해 깊이 측정이 부정확해질 수 있습니다.

ToF 시스템에는 짧고 정확한 광 펄스(dToF) 또는 고주파수에서 변조할 수 있는 연속 출력(iToF)을 방출할 수 있는 광원이 필요합니다. 짧은 상승 및 하강 시간과 함께 펄스 타이밍 및 변조 주파수의 정밀도는 정확한 거리 측정에 매우 중요합니다.

ToF 시스템, 특히 넓은 지역이나 장거리를 커버하기 위해 투광 조명을 사용하는 시스템은 일반적으로 삼각측량 시스템보다 더 높은 출력 전력을 필요로 합니다. 이렇게 하면 반사광이 감지될 만큼 충분한 강도를 가지며 시스템이 높은 수준의 주변 조명에서도 잘 작동할 수 있습니다.

출력 전력이 증가함에 따라 전력 효율성(입력 전력에 대한 광 출력 전력의 비율)의 필요성이 더욱 중요해졌습니다. 효율성은 특히 휴대용(배터리로 작동되는) 장치와 관련이 있습니다.