Principais Tecnologias de Sensoriamento 3D Explicadas

Nosso artigo anterior intitulado "Sistemas de visão 3D — qual é o certo para você?" abordou os parâmetros mais importantes de sistemas de visão 3D e quais são as compensações de alguns parâmetros serem bastante altos. Os parâmetros discutidos incluíam volume de varredura, tempo de aquisição e processamento de dados, resolução, precisão e exatidão, robustez, design e conectividade, e relação custo/desempenho.

Cada um desses parâmetros desempenha seu papel em aplicações específicas — onde um parâmetro é fundamental, outro pode ser menor e vice-versa.

Nos referiremos a esses parâmetros para uma melhor comparação das tecnologias individuais por trás dos sistemas de visão 3D e as possibilidades que elas proporcionam.

Tecnologias de sensoriamento 3D

As tecnologias que alimentam sistemas de visão 3D podem ser divididas em dois grandes grupos. Uma usa o princípio do tempo de voo e a outra o princípio da triangulação:

A. Tempo de voo (Time-of-flight)

• Varredura de área (Area scan)
• LiDAR

B. Métodos baseados em triangulação

• Triangulação a laser (ou perfilometria)
• Fotogrametria
• Visão estéreo (passiva e ativa)
• Luz estruturada (um quadro, múltiplos quadros)
• A nova tecnologia "luz estruturada paralela"

Este artigo discutirá as diferenças básicas entre essas técnicas. Então, focará em um aspecto principal com o qual todas lutam, nenhuma conseguindo abordá-lo satisfatoriamente — exceto uma. Este aspecto é a captura de dados de alta qualidade de cenas em movimento. Existe uma única tecnologia inovadora que permite varredura de área instantânea de objetos em movimento rápido com alta qualidade, eliminando a necessidade de comprometer entre qualidade e velocidade. Este método é abordado no final deste artigo. Mas vamos passo a passo.

Tempo de voo (ToF)

Sistemas ToF baseiam-se na medição do tempo durante o qual um sinal de luz emitido da fonte atinge o objeto escaneado e retorna ao sensor. Embora a velocidade de varredura seja relativamente alta, a limitação é a velocidade da luz em si. Mesmo um pequeno erro no cálculo do momento de incidência da luz pode resultar em erro de medição variando de milímetros a centímetros. Outra limitação é que esses sensores fornecem resolução relativamente baixa.

Existem duas técnicas distintas usando a abordagem ToF — LiDAR e sensoriamento de área.

LiDAR

Sistemas LiDAR amostram um (ou poucos) pontos 3D por vez. Durante a varredura, eles alteram a posição ou orientação do sensor para varrer todo o volume operacional.

Sensoriamento de área ToF

Sistemas ToF baseados em sensoriamento de área usam um sensor de imagem especial para medir o tempo para múltiplas medições em um instantâneo 2D. Eles não fornecem qualidade de dados tão alta quanto sistemas LiDAR, mas são adequados para aplicações dinâmicas que bastam com baixa resolução. Um defeito particular deste método são inter-reflexões entre partes da cena, que podem causar medições erradas.

Sistemas ToF são bastante populares devido ao preço atrativo de dispositivos de consumo projetados principalmente para interação humano-computador.

Métodos baseados em triangulação

Sistemas baseados em triangulação observam cenas de duas perspectivas, que formam uma linha de base. A linha de base e o ponto inspecionado formam um triângulo — medindo os ângulos deste triângulo, podemos calcular as coordenadas 3D exatas. O comprimento da linha de base e a precisão na recuperação dos ângulos afetam fortemente a precisão de um sistema.

Triangulação a laser = Perfilometria

Triangulação a laser é um dos métodos de sensoriamento 3D mais populares. Ele projeta uma faixa estreita de luz (ou um ponto) sobre uma superfície 3D, produzindo uma linha de iluminação que aparecerá distorcida de um ângulo diferente do projetor. Essa desvio codifica informação de profundidade.

Como captura um perfil por vez, ou o sensor ou o objeto precisa se mover, ou o perfil a laser precisa varrer a cena, para fazer um instantâneo completo.

Para reconstruir profundidade para um único perfil, este método requer captura de imagem de varredura de área estreita, cujo tamanho limita a taxa de quadros e consequentemente também a velocidade de varredura. Além disso, o cálculo de profundidade pode ficar bastante complicado, pois depende de encontrar máximos de intensidade em imagens 2D capturadas, o que por si só é um problema complexo.

Fotogrametria

Fotogrametria é uma técnica que calcula a reconstrução 3D de um objeto a partir de um grande número de imagens 2D não registradas. Similar à visão estéreo, ela depende da textura do objeto, mas pode se beneficiar de múltiplas amostras do mesmo ponto com linha de base alta. Fotogrametria pode ser usada como alternativa a sistemas LiDAR.

Visão estéreo

Visão estéreo baseia-se no cálculo do triângulo: câmera — objeto escaneado — câmera, imitando a percepção de profundidade humana.

A visão estéreo padrão busca correlações entre duas imagens (elas precisam ter textura/detalhes idênticos) e, baseada na disparidade, identifica a distância (profundidade) do objeto. Por causa dessa dependência do material do objeto, a visão estéreo 3D passiva é usada para aplicações que não medem nada, como contagem de pessoas.

Para compensar essa desvantagem, um sistema de visão estéreo ativa foi desenvolvido. Este método projeta um padrão de luz na superfície para criar textura artificial na superfície e correspondências na cena. No entanto, a identificação de correspondências e medição de um único ponto de profundidade requer vários pixels vizinhos, resultando em baixo número de pontos medidos com robustez geralmente menor.

O cálculo de profundidade baseia-se na análise de correspondências entre o par de imagens estéreo, cuja complexidade aumenta com o tamanho da janela de correspondência e a faixa de profundidade. Para atender requisitos rigorosos de tempo de processamento, a qualidade de reconstrução frequentemente é comprometida, tornando o método insuficiente para certas aplicações.

Luz estruturada

Outro método que também pertence às abordagens de triangulação ilumina o objeto escaneado com uma chamada luz estruturada. O triângulo abrange entre um projetor, o objeto escaneado e uma câmera. Como este método permite capturar o instantâneo 3D completo de uma cena sem necessidade de mover partes, a tecnologia de luz estruturada fornece alto nível de desempenho e flexibilidade.

Técnicas sofisticadas de projeção são usadas para criar um padrão estruturado codificado que codifica informação 3D diretamente na cena. Esta informação é então analisada pela câmera e algoritmos internos, fornecendo alto nível de precisão e resolução.

Sistemas de luz estruturada de alta resolução disponíveis no mercado usam múltiplos quadros da cena, cada um com padrão estruturado projetado diferente. Isso garante informação 3D por pixel de alta precisão, mas requer cena estática no momento da aquisição.

Uma das maiores desvantagens de abordagens baseadas em projeção é a profundidade de campo (ou faixa de profundidade). Para manter o projetor focado, o sistema precisa de abertura estreita. Isso não é opticamente eficiente, pois a luz bloqueada cria calor adicional e reflexões internas no sistema de projeção. Isso limita o uso desta tecnologia para maiores faixas de profundidade.

A Photoneo resolveu esse problema com laser que cria padrões estruturados. Sistemas Photoneo fornecem faixa de profundidade praticamente ilimitada, e também a possibilidade de usar filtros de banda estreita para bloquear luz ambiente.

Para aplicação em movimento, abordagem de quadro único precisa ser usada. Uma técnica convencional é codificar características distintas de sistemas multi-quadro em um padrão estruturado único, com forte impacto na resolução XY e Z. Similar a sistemas ToF, existem produtos baseados em consumo nesta categoria.

Luz Estruturada Paralela

Existe apenas um método capaz de superar as limitações de varredura de cenas em movimento.

A tecnologia inovadora e patenteada chamada Luz Estruturada Paralela foi desenvolvida pela Photoneo e permite captura de objetos em movimento com alta qualidade. O método usa luz estruturada em combinação com um sensor de imagem CMOS mosaic shutter proprietário.

Enquanto o método de luz estruturada captura padrões codificados pelo projetor sequencialmente, a tecnologia Luz Estruturada Paralela captura múltiplas imagens de luz estruturada em paralelo — este é o fator transformador. Como a aquisição de imagem de uma superfície 3D requer múltiplos quadros, a saída de varredura de objeto em movimento com método de luz estruturada seria distorcida. A tecnologia Luz Estruturada Paralela captura uma cena dinâmica reconstruindo sua imagem 3D a partir de um único disparo do sensor.

O sensor especial consiste em blocos de super-pixels que são subdivididos em subpixels. O laser vindo de um projetor de luz estruturada fica ligado o tempo todo, enquanto as exposições dos pixels individuais são ligadas e desligadas de forma codificada. Assim, há uma projeção e uma imagem capturada — mas esta imagem contém múltiplas sub-imagens, cada uma virtualmente iluminada por um padrão de luz diferente.

O resultado é muito similar ao de múltiplas imagens ao longo do tempo, com a diferença de que este novo método as adquire simultaneamente = por isso "Luz Estruturada Paralela". Outra vantagem desta técnica é a possibilidade de alternar o sensor para modo sequencial e obter resolução total de 2MP com qualidade de metrologia.

A tecnologia Luz Estruturada Paralela oferece, assim, a alta resolução de sistemas de luz estruturada multi-quadro e aquisição rápida de quadro único de sistemas ToF.

A Photoneo implementou esta tecnologia em sua câmera 3D MotionCam-3D, desenvolvendo assim a câmera 3D de varredura de área com mais alta resolução e precisão capaz de capturar objetos em movimento.

Conclusão

Este artigo apresentou uma pluralidade de métodos de visão 3D e explicou suas vantagens e pontos fracos específicos. A maioria dos métodos 3D de ponta faz um compromisso entre qualidade e velocidade, seja por processo de aquisição exigente ou processamento complexo de dados. A única tecnologia que entrega qualidade e velocidade simultaneamente é a Luz Estruturada Paralela baseada no sensor CMOS original da Photoneo. Este novo método expande a gama de aplicações possíveis e permite automação onde não era possível antes.