主な 3D センシング技術

以前の記事 「3D ビジョン システム – あなたに最適なシステムはどれですか?」 3D ビジョン システムの最も重要なパラメータと、一部のパラメータがかなり高い場合のトレードオフについて説明しました .議論されたパラメーターには、スキャン量、データ取得と処理時間、解像度、精度と精度、堅牢性、設計と接続性、および価格/性能比が含まれます。

これらの各パラメーターは、特定のアプリケーションでその役割を果たします。つまり、1 つのパラメーターが重要であり、他のパラメーターがマイナーであり、その逆の場合もあります。

3D ビジョン システムの背後にある個々のテクノロジーとそれらが提供する可能性をよりよく比較するために、これらのパラメーターを参照します。

3D センシング技術

3D ビジョン システムを強化するテクノロジーは、2 つの主要なグループに分けることができます . 1 つは 飛行時間 を使用します 原理ともう 1 つは 三角測量 の原理 :

A.飛行時間

• エリアスキャン
• LiDAR

B.三角測量に基づく方法

• レーザー三角測量 (またはプロフィロメトリー)
• 写真測量
• ステレオ ビジョン (パッシブおよびアクティブ)
• ストラクチャード ライト (1 フレーム、複数フレーム)
• 新しい「パラレル ストラクチャード ライト」テクノロジー

この記事では、これらの手法の基本的な違いについて説明します。次に、彼ら全員が苦労している 1 つの主要な側面に焦点を当てますが、1 つを除いて、誰も満足に対処することができません。この側面は、動いているシーンの高品質なデータ キャプチャです。 . 動きの速いオブジェクトのスナップショット エリア スキャンを高品質で可能にする 1 つの斬新なテクノロジーがあり、品質と速度の間で妥協する必要がありません .この方法については最後に説明します この記事の。しかし、一歩一歩進みましょう。

飛行時間 (ToF)

ToF システムは、光源から放射された光信号がスキャン対象物に当たり、センサーに戻るまでの時間の測定に基づいています。 .スキャン速度は比較的高速ですが、制限は光自体の速度です。光の入射モーメントの計算におけるわずかな誤差でさえ、ミリメートルからセンチメートルまでの範囲の測定誤差をもたらす可能性があります。もう 1 つの制限は、これらのセンサーが提供する解像度が比較的低いことです。

ToF アプローチを使用した特徴的な技術には、LiDAR とエリア センシングの 2 つがあります。

LiDAR

LiDAR システムは、一度に 1 つ (または数個) の 3D ポイントをサンプリングします .スキャン中に、センサーの位置または方向を変更して、手術ボリューム全体をスキャンします。

ToF エリア センシング

エリア センシングに基づく ToF システムは、特殊なイメージ センサーを使用して、2D スナップショットで複数の測定時間を測定します。 . LiDAR システムほど高いデータ品質は提供しませんが、低解像度で十分な動的アプリケーションに適しています。 .この方法の特定の欠点の 1 つは、シーンの部分間の相互反射であり、誤った測定を引き起こす可能性があります。

ToF システムは、主に人間とコンピューターの対話用に設計された消費者向けデバイスの価格が魅力的であるため、かなり人気があります。

三角測量に基づく方法

三角測量ベースのシステムは、ベースラインを形成する 2 つの視点からシーンを観察します。 ベースラインと検査点は三角形を形成します。この三角形の角度を測定することで、正確な 3D 座標を計算できます .ベースラインの長さと角度を取得する精度は、システムの精度に大きく影響します。

レーザー三角測量 =形状測定

レーザー三角測量は、最も一般的な 3D センシング方法の 1 つです。 狭い範囲の光 (または点) を 3D サーフェスに投影し、プロジェクターの角度とは異なる角度から歪んで見える照明の線を生成します .この偏差は深度情報をエンコードします。

一度に 1 つのプロファイルをキャプチャするため、全体のスナップショットを作成するには、センサーまたはオブジェクトを移動するか、レーザー プロファイルでシーンをスキャンする必要があります。

単一のプロファイルの深度を再構築するために、この方法では狭い領域のスキャン画像をキャプチャする必要があり、そのサイズによってフレーム レートが制限され、その結果、スキャン速度も制限されます。さらに、深さの計算は、取得した 2D 画像で強度の最大値を見つけることに依存しているため、かなり複雑になる可能性があります。これだけでも複雑な問題です。

写真測量

写真測量は、登録されていない多数の 2D 画像からオブジェクトの 3D 再構築を計算する技術です。 .ステレオ ビジョンと同様に、オブジェクトのテクスチャに依存しますが、高いベースラインを持つ同じポイントの複数のサンプルから恩恵を受けることができます。写真測量は、LiDAR システムの代替として使用できます。

ステレオ ビジョン

ステレオ ビジョンは、カメラ – スキャンされたオブジェクト – カメラという三角形の計算に基づいており、人間の奥行きの知覚を模倣しています。

標準ステレオは2 つの画像間の相関関係を探します （テクスチャ/同一の詳細が必要です）、視差に基づいて、オブジェクトからの距離（深さ）を識別します。このようにオブジェクトの素材に依存しているため、パッシブ 3D ステレオ 人数のカウントなど、何も測定しないアプリケーションに使用されます。

この欠点を補うために、 アクティブ ステレオ ビジョンシステムを開発。このメソッドはライト パターンを表面に投影して、表面に人工的なテクスチャを作成し、シーン内に対応させます .ただし、対応の識別と 1 つの深度ポイントの測定には、いくつかの隣接するピクセルが必要であり、その結果、測定ポイントの数が少なくなり、ロバスト性が一般的に低くなります。

深さの計算は、ステレオ画像のペア間の対応の分析に基づいており、その複雑さは、マッチング ウィンドウのサイズと深さの範囲とともに増加します。厳格な処理時間の要件を満たすために、再構成の品質が損なわれることが多く、この方法では特定の用途には不十分です。

構造化された光

同じく三角測量アプローチに属する別の方法は、スキャンされたオブジェクトをいわゆる構造化された光で照らします。三角形は、プロジェクター、スキャンされたオブジェクト、およびカメラの間にまたがっています .この方法では、パーツを移動する必要なく、シーンの 3D スナップショット全体をキャプチャできるため、ストラクチャード ライト テクノロジーは高レベルのパフォーマンスと柔軟性を提供します。 .

洗練されたプロジェクション技術を使用して、3D 情報をシーンに直接エンコードするコード化された構造化パターンを作成します .この情報は、カメラと内部アルゴリズムによって分析され、高レベルの精度と解像度を提供します。 .

市場で入手可能な高解像度の構造化照明システムは、シーンの複数のフレームを使用し、それぞれに異なる投影構造パターンを使用します。これにより、高精度のピクセル単位の 3D 情報が保証されますが、静的なシーンが必要です 取得の瞬間。

最大の欠点の 1 つ 投影ベースのアプローチの は 被写界深度 です (または深度範囲)。プロジェクターの焦点を合わせ続けるために、システムには狭い開口部が必要です。これは、ブロックされた光が投影システムで追加の熱と内部反射を作成するため、光学的に効率的ではありません。これにより、より高い深度範囲でのこのテクノロジーの使用が制限されます .

Photoneo は、構造化されたパターンを作成するレーザーでこの問題を解決しました。 Photoneo システムは、ほぼ無限の深度範囲を提供します 、また狭帯域通過フィルタを使用して周囲光を遮断する可能性もあります .

移動するアプリケーションの場合、1 フレーム アプローチを使用する必要があります .従来の手法は、マルチフレーム システムの特徴的な機能を 1 つの構造化パターンにエンコードすることであり、XY および Z 解像度に大きな影響を与えます。 ToF システムと同様に、このカテゴリには消費者ベースの製品があります。

パラレル ストラクチャード ライト

動くシーンのスキャンの限界を克服できる方法は 1 つしかありません .

という名前の斬新な特許技術 パラレル ストラクチャード ライト Photoneo によって開発されました オブジェクトのキャプチャを可能にします 動いている 高品質 .この方法では、構造化された光を独自のモザイク シャッター CMOS イメージ センサーと組み合わせて使用​​します。

ストラクチャード ライト方式では、プロジェクターでエンコードされたパターンを順次キャプチャしますが、パラレル ストラクチャード ライト テクノロジーでは、ストラクチャード ライトの複数の画像を並行してキャプチャします。 – これは ゲームを変える 要素。 3D サーフェスの画像取得には複数のフレームが必要なため、構造化ライト法を使用して移動オブジェクトをスキャンすると、出力が歪んでしまいます。パラレル ストラクチャード ライト テクノロジー センサーの 1 回のショットから 3D 画像を再構築することで、動的なシーンをキャプチャします .

特別なセンサーは、さらにサブピクセルに分割されたスーパーピクセル ブロックで構成されています。構造化ライト プロジェクターからのレーザーは常にオンになっていますが、個々のピクセルの露光はエンコードされた方法でオン/オフされます。このように、1 つの投影と 1 つのキャプチャされた画像がありますが、この画像には複数のサブ画像が含まれており、それぞれが異なる光パターンで仮想的に照らされています。

結果は、時間の経過とともに複数の画像を取得する場合と非常に似ていますが、この新しい方法はそれらを同時に取得するという違いがあります =これが「パラレル ストラクチャード ライト」の理由です。この手法のもう 1 つの利点は、センサーをシーケンシャル モードに切り替えて、計測グレードの品質で完全な 2MP 解像度を取得できることです。

パラレル ストラクチャード ライト テクノロジー したがって、高解像度を提供します 複数フレームの構造化ライト システムと高速な 1 フレームの取得の ToFシステムの。

Photoneo は、この技術を自社の 3D カメラ MotionCam-3D に実装しました。 、こうして動いているオブジェクトをキャプチャできる、最高解像度と最高精度のエリア スキャン 3D カメラを開発しました。 .

結論

この記事では、複数の 3D ビジョン方法を紹介し、具体的な長所と短所を説明しました。最先端の 3D メソッドのほとんどは、要求の厳しい取得プロセスまたは複雑なデータ処理のために、品質と速度の間で妥協をします。画質と速度を同時に実現する唯一のテクノロジーは、Photoneo 独自の CMOS センサーによる Parallel Structured Light です。この新しい方法は、可能なアプリケーションの範囲を拡大し、以前は不可能だった自動化を可能にします。