Principais tecnologias de detecção 3D

Nosso artigo anterior intitulado “Sistemas de visão 3D – qual é o certo para você?” abordou os parâmetros mais importantes dos sistemas de visão 3D e quais são as compensações de alguns parâmetros serem bastante altos . Os parâmetros discutidos incluíram o volume de digitalização, aquisição de dados e tempo de processamento, resolução, exatidão e precisão, robustez, design e conectividade e a relação preço/desempenho.

Cada um desses parâmetros desempenha seu papel em aplicações específicas – onde um parâmetro é chave, outro pode ser secundário e vice-versa.

Faremos referência a esses parâmetros para uma melhor comparação das tecnologias individuais por trás dos sistemas de visão 3D e as possibilidades que eles oferecem.

Tecnologias de detecção 3D

As tecnologias que alimentam os sistemas de visão 3D podem ser divididas em dois grupos principais . Usa-se o tempo de voo princípio e o outro o princípio da triangulação :

A. Tempo de voo

• Varredura de área
• LiDAR

B. Métodos baseados em triangulação

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

Este artigo discutirá as diferenças básicas entre essas técnicas. Em seguida, ele se concentrará em um aspecto principal com o qual todos lutam, nenhum deles sendo capaz de abordá-lo satisfatoriamente - exceto um. Este aspecto é a captura de dados de alta qualidade de cenas em movimento . Existe uma tecnologia única e inovadora que permite a digitalização da área instantânea de objetos em movimento rápido em alta qualidade, eliminando assim a necessidade de comprometer qualidade e velocidade . Este método é abordado no final deste artigo. Mas vamos passo a passo.

Tempo de voo (ToF)

Os sistemas ToF são baseados na medição do tempo durante o qual um sinal de luz emitido pela fonte de luz atinge o objeto digitalizado e retorna ao sensor . Embora a velocidade de varredura seja relativamente alta, a limitação é a própria velocidade da luz. Mesmo um pequeno erro no cálculo do momento de incidência da luz pode resultar em um erro de medição que varia de milímetros até centímetros. Outra limitação é que esses sensores fornecem resolução relativamente baixa.

Existem duas técnicas distintas usando a abordagem ToF – LiDAR e detecção de área.

LiDAR

Sistemas LiDAR amostra um (ou alguns) pontos 3D por vez . Durante a varredura, eles mudam a posição ou orientação do sensor para escanear todo o volume operacional.

Detecção de área ToF

Os sistemas ToF baseados em detecção de área usam um sensor de imagem especial para medir o tempo para várias medições em um instantâneo 2D . Eles não fornecem uma qualidade de dados tão alta quanto os sistemas LiDAR, mas são adequados para aplicativos dinâmicos que são suficientes com uma resolução baixa . Uma desvantagem particular desse método são as inter-reflexões entre as partes da cena, que podem causar medições erradas.

Os sistemas ToF são bastante populares devido ao preço atraente dos 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 desse triângulo, podemos calcular as coordenadas 3D exatas . O comprimento da linha de base e a precisão da recuperação dos ângulos afetam fortemente a precisão de um sistema.

Triangulação a laser =Perfilometria

A triangulação a laser é um dos métodos de detecção 3D mais populares. Ele projeta uma faixa estreita de luz (ou um ponto) em uma superfície 3D, que produz uma linha de iluminação que aparecerá distorcida de um ângulo diferente daquele do projetor . Esse desvio codifica informações de profundidade.

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

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

Fotogrametria

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

Visão estéreo

A visão estéreo é baseada no cálculo do triângulo:câmera – objeto digitalizado – câmera, imitando a percepção humana de profundidade.

O estéreo padrão procura por correlações entre duas imagens (precisam ter textura/detalhes idênticos) e com base na disparidade, identifica a distância (profundidade) do objeto. Devido a essa dependência do material de um objeto, estéreo 3D passivo é usado para aplicações que não medem nada, como contar pessoas.

Para compensar essa desvantagem, um estéreo ativo sistema de visão foi desenvolvido. Este método projeta um padrão de luz na superfície para criar uma 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, o que resulta em um baixo número de pontos medidos com robustez geralmente menor.

O cálculo da profundidade é baseado na análise das correspondências entre o par de imagens estéreo, cuja complexidade aumenta com o tamanho da janela correspondente e a faixa de profundidade. Para atender requisitos rígidos de tempo de processamento, muitas vezes a qualidade da reconstrução fica comprometida, o que torna o método insuficiente para determinadas aplicações.

Luz estruturada

Outro método que também pertence às abordagens de triangulação ilumina o objeto digitalizado com uma chamada luz estruturada. O triângulo se estende entre um projetor, o objeto digitalizado e uma câmera . Como esse método permite capturar todo o instantâneo 3D de uma cena sem a necessidade de mover nenhuma parte, a tecnologia de luz estruturada fornece um alto nível de desempenho e flexibilidade .

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

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

Uma das maiores desvantagens das abordagens baseadas em projeção é a profundidade de campo (ou faixa de profundidade). Para manter o foco do projetor, o sistema precisa de uma 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 dessa tecnologia para faixas de profundidade mais altas .

A Photoneo resolveu esse problema com um laser que cria padrões estruturados. Os sistemas Photoneo fornecem alcance de profundidade quase ilimitado , e também a possibilidade de usar filtros passa-banda estreitos para bloquear a luz ambiente .

Para um aplicativo em movimento, uma abordagem de um quadro precisa ser usada . Uma técnica convencional é codificar características distintas de sistemas multiquadro em um padrão estruturado, com forte impacto na resolução XY e Z. Semelhante aos sistemas ToF, existem produtos baseados no consumidor disponíveis nesta categoria.

Luz Estruturada Paralela

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

A nova tecnologia patenteada chamada Luz Estruturada Paralela foi desenvolvido por Photoneo e permite a captura de objetos em movimento em alta qualidade . O método usa luz estruturada em combinação com um sensor de imagem CMOS de obturador de mosaico proprietário.

Enquanto o método de luz estruturada captura padrões codificados pelo projetor sequencialmente, a tecnologia Parallel Structured Light captura várias imagens de luz estruturada em paralelo – esta é a mudança de jogo fator. Como a aquisição da imagem de uma superfície 3D requer vários quadros, a saída da digitalização de um objeto em movimento com o método de luz estruturada seria distorcida. A tecnologia Parallel Structured Light captura uma cena dinâmica reconstruindo sua imagem 3D a partir de uma única tomada do sensor .

O sensor especial consiste em blocos de superpixels que são divididos em subpixels. O laser proveniente de um projetor de luz estruturada fica ligado o tempo todo, enquanto as exposições dos pixels individuais são ativadas e desativadas de maneira codificada. Dessa forma, há uma projeção e uma imagem capturada – mas essa imagem contém várias subimagens, cada uma virtualmente iluminada por um padrão de luz diferente.

O resultado é muito semelhante 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 mudar o sensor para o modo sequencial e obter uma resolução total de 2MP com qualidade metrológica.

A tecnologia Parallel Structured Light assim oferece a alta resolução de sistemas de luz estruturada de vários quadros e aquisição rápida de um quadro de sistemas ToF.

Photoneo implementou esta tecnologia em sua câmera 3D MotionCam-3D , desenvolvendo assim a câmera 3D de varredura de área de maior resolução e precisão que é capaz de capturar objetos em movimento .

Conclusão

Este artigo apresentou uma pluralidade de métodos de visão 3D e explicou suas vantagens específicas e pontos fracos. A maioria dos métodos 3D de última geração faz um compromisso entre qualidade e velocidade, seja por causa de um processo de aquisição exigente ou processamento de dados complexos. A única tecnologia que oferece qualidade e velocidade simultaneamente é a Parallel Structured Light baseada no sensor CMOS original da Photoneo. Este novo método expande a gama de aplicações possíveis e permite automação onde antes não era possível.