三维成像技术-飞行时间

三维成像技术持续数十年之久, 第一批商业三维成像产品仅在大电影厂使用最新高清晰度摄像头制作三维电影后10至15年内才提供自那以来,三维成像技术在消费市场和机器视觉产业中快速发展

当前,需要更高层次过程监控和自动化是提高机器视觉产业内三维成像技术的驱动力传统二维方法已不再是足够的成像方法,因为实现复杂对象识别和分层应用所必不可少的精度和距离测量水平无法实现传统二维成像也无法处理复杂交互环境,例如人/机器人协同工作趋势增长

三维映射概述

获取三维图像的四种主要技术包括立体视觉系统、结构式三维成像系统、激光三角和飞行时间TF系统,最后三种技术是需要使用人工光源的'主动'成像系

立体视觉

立体视觉需要使用两架相机获取对象不同视觉透视立体视觉中使用校准技术涉及对像素摄像头信息并提取关于图像深度的必要信息,以相似方式测量大脑视觉距离认知过程转入系统需要成像系统大量计算努力

图1立体视觉-源技术简介

标准图像传感器嵌入立体视觉摄像头后,这些摄像头的低成本得到维护,因为使用高性能传感器或全局百叶窗等更精密传感器将提高系统总成本

必须指出,距离范围受机械约束的限制,因为实现物理基线的要求需要较大的维度模块。精确机械对齐和重校准对系统也是必要的此外,这种技术在改变光条件方面效果不好,因为它严重依赖对象反射特征

结构化光线

图2结构化光-肯塔基大学源码激光聚焦世界

结构光技术预设光模式投向对象,通过分析扭曲模式获取图像深度信息由于没有概念框架时间限制,这种成像技术防止运动混淆发生,从而允许它成为一种强力技术,对抗多路接口

不过,必须指出主动光照需要复杂相机,同时需要镜头和模式投影器之间精确稳定的机械对齐在这些情况中,仍然存在去校准风险。此外,反射模式敏感光干扰环境,因此仅限于室内应用

激光三角

激光三角系统测量光线几何偏移,光线值与对象高度直接相关单维成像技术以扫描对象为基础,视激光与物体表面点间距离而定,将判定激光点在相机视域中出现的位置三角定位表示激光点、相机和激光发射组成三角

图3激光三角

高分辨率激光通常用于偏移和定位监测应用中需要高精度、稳定性和低温漂移不幸的是,这一技术仅能覆盖短距离并敏感环境光和结构化/或复杂结构,从而将技术限制为扫描应用使用激光三角时也需要复杂算法和标定

时间飞行

时间飞行表示每种方法测量距离直接获取或计算照相机和场景间光子双飞时间直接或间接测量I-ToFD-ToF需要复杂约束时间设备,I-ToF操作比较简单,因为光源与图像传感器同步使用

光脉冲随相机闭合相位释放,使用光脉冲反同步计算光子ToF判定发射点与对象之间的距离这样做时,确保直接测量深度和振幅的像素生成最终图像,或称深度映射

ToF系统小侧比和单目方法简单一次生命周期标定,使系统在环境光条件下运行良好ToF系统的一些缺陷包括需要主动光化同步、多路干扰和距离别名的可能性

图4toF操作原理

比较技巧

只有少数三维系统目前正在使用中,如今主要基于三维立体视觉系统、结构式光摄像头系统或激光三角系统系统通常工作距离固定运行并需要大规模标定才能实现特定检测区

ToF系统因此特别有利,因为它们克服了许多挑战,从应用角度提供更大程度的灵活性。今天,由于像素复杂性和/或电量消耗,大多数商业解决方案在图像解析VGA或小于Video图形阵列方面仍然有限

表1三维成像技术顶级比较

CMOS传感器解决toF

ToF技术高应用透视Teledynee2v开发第一个三维 ToF解析法真1.3兆像素深度解析法和一英寸光学格式3C ToF求解基础为特殊高敏感度高动态CMOS传感器,以利灰度图像和深度聚变能力

CMOS传感器F成像额外产品特征包括:

• 状态1.3MP深度地图解析度:深度地图全分辨率、精度++1cm高速度
• 三维图像快速移动对象速率达120框架/秒和30fs深度地图完全解析,同时保持高全局百叶窗效率
• 大范围三维检测:0.5米至5米
• 高动态范围 90d
• 可见NIR高灵敏感应器达850纳米半量子效率和HDS夜间/每日视觉
• 嵌入式三维处理多感兴趣区域(ROI),其中包括两个窗口和串联和/或芯片直方图数据上下文
• 开发出演示平台评价以深度地图或点云格式输出的独特1.3MP深度分辨率

图5显示此toF演示平台由基于高敏感度1.3MP传感器的压缩1英寸光学板摄像系统组成嵌入式多集成芯片函数(Gated传感器)、光源和光学都组合在一起,使ToF设备全1.3MP分辨率实现性能

图5toF演示平台

主动用适应式5TCMOS传感器仿真 ToF

主动成像使用人工光源简单主动成像形式实例之一是辅助自聚焦特征,该特征见诸使用红外信号测量低光条件距离的大多数现代摄像头。主动成像可用于在严酷天气条件下制作图像,如雨和/或雾,并维护主动成像技术,包括测距和ToF

范围定位

距离悬浮合并两个组件,包括脉冲光波前端和专用高速闭锁摄像头脉冲光波投向目标 反射从反射平面返回后 高速电子百叶窗

距离门允许选择图像平面距离,这取决于光线和传感器同步性yabo214目标与摄像头分离时, 环境内有雨雾或气雾粒子, 光子中有些原名为'弹道光子', 仍能跨媒体反向摄像头

光子小数数,光子抓取同步使图像通过传播介质捕捉测距技术操作在长距离几乎无限制成功,但这取决于光源的力量

与测距梯度比较,ToF则允许直接测量ToF光度以确定反射平面距离和位置系统基于ToF技术,因此需要快速全局闭锁摄像头,当对象距离相机短距离时与主动成像不同,ToF不聚焦特定成像平面,因此允许直接距离成像

图6显示,测距图像捕获基于同步摄像源光系统,可按奴隶或主模式操作,视应用的具体约束而定。类相机展示极快全局百分位

光脉冲由源发布光脉冲释放后,光脉冲将反射或非反射范围,视对象是否存在而定。反射时,光线回溯摄像头所需时间表示为##23+2+2

此时点摄像头摄取的图像 最终会反射信号循环过程在框架长度内重复千百次积累足够的信号读出噪声

过程生成图像为灰度,仅对应范围内存在的对象生成深度图像时,需要从多深度扫描一组图像或调整延时##取下图集计算点距离

图6范围定位原理

图7全局开机像素

图7显示像素图像传感器制作短同步集成时间时使用的方法也称全局百叶窗,可通过使用5晶体管5T像素实现该方法,该像素与专用相位驱动信号集成阶段并非同时执行,而是通过同步微集成生成的连续运动实现的

Teledyene2v开发了一种专有技术,它基于五流像素和时序生成替代线判定时段变化,所有时间段都缩小到约10毫秒,这表示时间分辨率大有提高。高敏感度/低噪声比1.3MPCMOS图像传感器包含多集成或“累积性”模式

高寄生光感应率(PLS)也称`扩展比',即定点光屏和存储节点电容器之间的置合点,也需拒绝侧面图像背景,在摄像头脱机时拒绝寄生光

图85T像素CMOS适配同步电路需要适当的消亡比以拒绝场景背景

Teledynee2v开发小说BORA1.3MPCMOS图像传感器供短距离和距离操作系统使用作为目前唯一可供工业使用传感器之一,BORA1.3MPCMOS特征优化多集成模式、低光条件优异性能和全局电子百叶窗,同时保持原ToF系统精度和框架速率性能

BORA传感器于2017年秋季发布,并配有全套支持服务,帮助客户按具体应用需求构建系统BORA传感器新的竞争性能见表3

表3toF平台性能比较

精确性提供测值和实际值之间的加码
时间噪声表示RMS精度从框架到框架代表系统可重复性

摘要

为提高工业系统有效性和自主性,使用视觉系统制导机器人和其他自主机现在需要三维视觉精度分解对象识别数种三维技术存在并有具体优缺点,视特定应用需求而定飞行时间目前为三维视觉提供非同寻常透视,因此驱动新一代专用CMOS图像传感器设计

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