주요 3D 감지 기술

이전 기사 "3D 비전 시스템 – 어떤 것이 당신에게 적합합니까?" 3D 비전 시스템의 가장 중요한 매개변수와 다소 높은 일부 매개변수의 절충점을 다루었습니다. . 논의된 매개변수에는 스캐닝 볼륨, 데이터 획득 및 처리 시간, 해상도, 정확도 및 정밀성, 견고성, 디자인 및 연결성, 가격 대비 성능 비율이 포함되었습니다.

이러한 각 매개변수는 특정 응용 프로그램에서 역할을 수행합니다. 여기서 하나의 매개변수는 중요하고 다른 매개변수는 부수적일 수 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

3D 비전 시스템 이면의 개별 기술과 그 기술이 제공하는 가능성을 더 잘 비교하기 위해 이러한 매개변수를 참조할 것입니다.

3D 감지 기술

3D 비전 시스템을 구동하는 기술은 두 개의 주요 그룹으로 나눌 수 있습니다. . 하나는 비행 시간을 사용합니다. 원리 및 다른 하나는 삼각 측량의 원리입니다. :

A. 비행 시간

• 영역 스캔
• 라이다

나. 삼각 측량 기반 방법

• 레이저 삼각측량(또는 프로필로메트리)
• 사진 측량
• 스테레오 비전(수동 및 능동)
• 구조화된 조명(한 프레임, 여러 프레임)
• 새로운 "병렬 구조 조명" 기술

이 문서에서는 이러한 기술 간의 기본적인 차이점에 대해 설명합니다. 그런 다음 그들은 모두가 어려움을 겪고 있는 한 가지 주요 측면에 초점을 맞출 것입니다. 한 가지를 제외하고는 누구도 만족스럽게 해결할 수 없습니다. 이 측면은 움직이는 장면의 고품질 데이터 캡처입니다. . 고품질로 빠르게 움직이는 물체의 스냅샷 영역 스캔을 가능하게 하여 품질과 속도 사이에서 절충할 필요가 없는 단 하나의 참신한 기술이 있습니다. . 이 방법은 마지막에 다룹니다 이 기사의. 하지만 차근차근 가봅시다.

비행시간(ToF)

ToF 시스템은 광원에서 방출된 빛 신호가 스캔된 물체에 부딪치고 다시 센서로 되돌아오는 시간을 측정하는 것을 기반으로 합니다. . 스캐닝 속도는 비교적 빠르지만 한계는 빛 자체의 속도입니다. 빛의 입사 순간을 계산할 때 약간의 오차가 있어도 밀리미터에서 센티미터에 이르는 측정 오차가 발생할 수 있습니다. 또 다른 한계는 이러한 센서가 상대적으로 낮은 해상도를 제공한다는 것입니다.

ToF 접근 방식을 사용하는 두 가지 독특한 기술인 LiDAR와 영역 감지가 있습니다.

라이다

LiDAR 시스템은 한 번에 하나(또는 몇 개)의 3D 지점을 샘플링합니다 . 스캔하는 동안 센서의 위치나 방향을 변경하여 전체 작동 볼륨을 스캔합니다.

ToF 영역 감지

영역 감지 기반 ToF 시스템은 특수 이미지 센서를 사용하여 2D 스냅샷에서 여러 측정 시간을 측정합니다. . LiDAR 시스템과 같은 높은 데이터 품질을 제공하지는 않지만 저해상도로 충분한 동적 애플리케이션에 매우 적합합니다. . 이 방법의 한 가지 특별한 단점은 잘못된 측정을 유발할 수 있는 장면 부분 간의 상호 반사입니다.

ToF 시스템은 주로 인간과 컴퓨터의 상호 작용을 위해 설계된 소비자 장치의 매력적인 가격 때문에 다소 인기가 있습니다.

삼각 측량 기반 방법

삼각 측량 기반 시스템은 기준선을 형성하는 두 가지 관점에서 장면을 관찰합니다. 기선과 검사 지점은 삼각형을 형성합니다. 이 삼각형의 각도를 측정하여 정확한 3D 좌표를 계산할 수 있습니다. . 기준선의 길이와 각도 검색의 정확도는 시스템의 정밀도에 큰 영향을 미칩니다.

레이저 삼각측량 =프로필로메트리

레이저 삼각 측량은 가장 널리 사용되는 3D 감지 방법 중 하나입니다. 3D 표면에 좁은 띠의 빛(또는 점)을 투사하여 프로젝터가 아닌 다른 각도에서 왜곡되어 나타나는 조명 라인을 생성 . 이 편차는 깊이 정보를 인코딩합니다.

한 번에 하나의 프로필을 캡처하기 때문에 전체 스냅샷을 만들기 위해 센서나 물체가 움직여야 하거나 레이저 프로필이 장면을 스캔해야 합니다.

단일 프로필의 깊이를 재구성하기 위해 이 방법은 좁은 영역 스캔 이미지의 캡처가 필요하며, 그 크기는 프레임 속도를 제한하고 결과적으로 스캔 속도도 제한합니다. 또한 깊이 계산은 캡처된 2D 이미지에서 강도 최대값을 찾는 데 의존하기 때문에 다소 복잡해질 수 있으며, 이는 혼자만의 복잡한 문제입니다.

사진측량

사진측량은 많은 수의 등록되지 않은 2D 이미지에서 개체의 3D 재구성을 계산하는 기술입니다. . 스테레오 비전과 유사하게 개체의 텍스처에 의존하지만 기준선이 높은 동일한 지점의 여러 샘플에서 이점을 얻을 수 있습니다. 사진 측량은 LiDAR 시스템의 대안으로 사용될 수 있습니다.

스테레오 비전

스테레오 비전은 삼각형의 계산을 기반으로 합니다:카메라 – 스캔된 개체 – 카메라, 인간의 깊이 인식을 모방합니다.

표준 스테레오는 두 이미지 간의 상관관계를 찾습니다 (텍스처/동일한 세부 사항이 있어야 함) 시차를 기반으로 개체에서 거리(깊이)를 식별합니다. 개체의 재질에 대한 이러한 의존성 때문에 패시브 3D 스테레오 사람 수를 세는 것과 같이 아무것도 측정하지 않는 응용 프로그램에 사용됩니다.

이러한 단점을 보완하기 위해 액티브 스테레오 비전 시스템이 개발되었습니다. 이 방법은 표면에 조명 패턴을 투사하여 표면에 인공 텍스처를 생성하고 장면에 대응 . 그러나 하나의 단일 깊이 지점에 대한 대응 식별 및 측정에는 여러 인접 픽셀이 필요하므로 일반적으로 견고성이 낮은 측정 지점 수가 적습니다.

깊이 계산은 한 쌍의 스테레오 이미지 간의 대응 관계 분석을 기반으로 하며, 그 복잡도는 일치하는 창의 크기와 깊이 범위에 따라 증가합니다. 엄격한 처리 시간 요구 사항을 충족하기 위해 재구성 품질이 종종 저하되어 특정 응용 프로그램에 대한 방법이 불충분합니다.

구조 조명

삼각 측량 방식에도 속하는 또 다른 방법은 소위 구조화된 조명으로 스캔된 개체를 조명합니다. 삼각형은 프로젝터, 스캔한 개체 및 카메라 사이에 걸쳐 있습니다. . 이 방법을 사용하면 부분을 이동하지 않고도 장면의 전체 3D 스냅샷을 캡처할 수 있으므로 구조화 조명 기술은 높은 수준의 성능과 유연성을 제공합니다. .

장면에서 직접 3D 정보를 인코딩하는 코딩된 구조 패턴을 생성하는 데 정교한 프로젝션 기술이 사용됩니다. . 이 정보는 카메라와 내부 알고리즘에 의해 분석되어 높은 수준의 정확도와 해상도를 제공합니다. .

시중에서 구할 수 있는 고해상도 구조 조명 시스템은 장면의 여러 프레임을 사용하며 각각 다른 투사 구조 패턴을 사용합니다. 이렇게 하면 픽셀당 정확도가 높은 3D 정보가 보장되지만 정적인 장면이 필요합니다. 취득하는 순간.

가장 큰 단점 중 하나 프로젝션 기반 접근법의 피사계 심도 (또는 깊이 범위). 프로젝터의 초점을 유지하려면 시스템에 좁은 조리개가 필요합니다. 차단된 빛이 프로젝션 시스템에서 추가적인 열과 내부 반사를 생성하기 때문에 이것은 광학적으로 효율적이지 않습니다. 이것은 더 높은 수심 범위에 대한 이 기술의 사용을 제한 .

Photoneo는 구조화된 패턴을 생성하는 레이저로 이 문제를 해결했습니다. Photoneo 시스템은 거의 무제한의 깊이 범위를 제공합니다 , 주변광을 차단하기 위해 협대역 필터를 사용할 수도 있습니다. .

움직이는 애플리케이션의 경우 한 프레임 접근 방식을 사용해야 합니다. . 기존 기술은 XY 및 Z 해상도에 큰 영향을 미치면서 다중 프레임 시스템의 고유한 기능을 하나의 구조화된 패턴으로 인코딩하는 것입니다. ToF 시스템과 마찬가지로 이 범주에는 소비자 기반 제품이 있습니다.

병렬 구조 조명

움직이는 장면 스캔의 한계를 극복할 수 있는 방법은 단 하나 .

새로운 특허 기술 병렬 구조 조명 Photoneo에서 개발 개체 캡처를 허용합니다. 동작 중 고품질 . 이 방법은 독점적인 모자이크 셔터 CMOS 이미지 센서와 함께 구조화된 빛을 사용합니다.

구조광 방식이 프로젝터 인코딩 패턴을 순차적으로 캡처하는 반면, 병렬 구조광 기술은 구조광의 여러 이미지를 병렬로 캡처 – 이것이 판도를 바꾸는 요인. 3D 표면의 이미지 획득에는 여러 프레임이 필요하기 때문에 구조광 방식으로 움직이는 물체를 스캔하면 출력이 왜곡됩니다. 병렬 구조 조명 기술 센서의 단일 샷에서 3D 이미지를 재구성하여 역동적인 장면을 캡처합니다. .

특수 센서는 서브픽셀로 더 분할된 슈퍼픽셀 블록으로 구성됩니다. 구조광 프로젝터에서 나오는 레이저는 전체 시간 동안 켜져 있으며 개별 픽셀의 노출은 인코딩된 방식으로 켜고 끕니다. 이렇게 하면 하나의 프로젝션과 하나의 캡처된 이미지가 있지만 이 이미지에는 여러 개의 하위 이미지가 포함되어 있으며 각각 다른 조명 패턴에 의해 가상으로 조명됩니다.

결과는 시간이 지남에 따라 여러 이미지의 결과와 매우 유사하지만 이 새로운 방법이 이미지를 동시에 획득한다는 차이점이 있습니다. 이것이 "병렬 구조 조명"인 이유입니다. 이 기술의 또 다른 장점은 센서를 순차 모드로 전환하고 계측 등급 품질로 전체 2MP 해상도를 얻을 수 있다는 것입니다.

병렬 구조 조명 기술 따라서 고해상도를 제공합니다. 다중 프레임 구조 조명 시스템 및 빠른 단일 프레임 획득 ToF 시스템의

Photoneo는 이 기술을 3D 카메라 MotionCam-3D에 구현했습니다. , 움직이는 물체를 캡처할 수 있는 가장 높은 해상도와 가장 정확한 영역 스캔 3D 카메라를 개발합니다. .

결론

이 기사에서는 다양한 3D 비전 방법을 제시하고 각각의 장단점을 설명했습니다. 최신 3D 방법의 대부분은 까다로운 획득 프로세스 또는 복잡한 데이터 처리로 인해 품질과 속도 사이에서 타협합니다. 품질과 속도를 동시에 제공하는 유일한 기술은 Photoneo 고유의 CMOS 센서를 기반으로 하는 병렬 구조 조명입니다. 이 새로운 방법은 가능한 적용 범위를 확장하고 이전에는 불가능했던 자동화를 가능하게 합니다.