Teknologi penginderaan 3D utama
Artikel kami sebelumnya berjudul “Sistem penglihatan 3D – mana yang tepat untuk Anda?” membahas parameter paling penting dari sistem penglihatan 3D, dan apa saja konsekuensi dari beberapa parameter yang agak tinggi . Parameter yang dibahas meliputi volume pemindaian, akuisisi data &waktu pemrosesan, resolusi, akurasi &presisi, ketahanan, desain &konektivitas, serta rasio harga/performa.
Masing-masing parameter ini memainkan perannya dalam aplikasi tertentu – di mana satu parameter adalah kunci, yang lain mungkin kecil dan sebaliknya.
Kami akan mengacu pada parameter ini untuk perbandingan yang lebih baik dari masing-masing teknologi di balik sistem penglihatan 3D dan kemungkinan yang disediakannya.
teknologi penginderaan 3D
Teknologi yang mendukung sistem penglihatan 3D dapat dibagi menjadi dua kelompok besar . Satu menggunakan waktu penerbangan prinsip dan yang lainnya prinsip triangulasi :
A. Waktu terbang
B. Metode berbasis triangulasi
- Triangulasi laser (atau profilometri)
- Fotogrametri
- Penglihatan stereo (pasif dan aktif)
- Cahaya terstruktur (satu bingkai, beberapa bingkai)
- Teknologi baru “lampu berstruktur paralel”
Artikel ini akan membahas perbedaan mendasar antara teknik-teknik ini. Kemudian itu akan fokus pada satu aspek utama yang mereka semua perjuangkan, tidak satupun dari mereka dapat mengatasinya dengan memuaskan – kecuali satu. Aspek ini adalah pengambilan data berkualitas tinggi dari adegan bergerak . Ada satu teknologi baru yang memungkinkan pemindaian area snapshot dari objek yang bergerak cepat dengan kualitas tinggi, sehingga meniadakan kebutuhan untuk berkompromi antara kualitas dan kecepatan . Metode ini dibahas di bagian akhir artikel ini. Tapi mari kita selangkah demi selangkah.
Waktu penerbangan (ToF)
Sistem ToF didasarkan pada mengukur waktu selama sinyal cahaya yang dipancarkan dari sumber cahaya mengenai objek yang dipindai dan kembali ke sensor . Meskipun kecepatan pemindaian relatif tinggi, batasannya adalah kecepatan cahaya itu sendiri. Kesalahan kecil saja dalam perhitungan momen datang cahaya dapat mengakibatkan kesalahan pengukuran mulai dari milimeter hingga sentimeter. Keterbatasan lainnya adalah sensor ini memberikan resolusi yang relatif rendah.
Ada dua teknik khusus yang menggunakan pendekatan ToF – LiDAR dan area sensing.
LiDAR
Sistem LiDAR mencicipi satu (atau beberapa) titik 3D sekaligus . Selama pemindaian, mereka mengubah posisi atau orientasi sensor untuk memindai seluruh volume pengoperasian.
Penginderaan area ToF
Sistem ToF berdasarkan sensor area menggunakan sensor gambar khusus untuk mengukur waktu untuk beberapa pengukuran dalam snapshot 2D . Mereka tidak memberikan kualitas data setinggi sistem LiDAR tetapi cocok untuk aplikasi dinamis yang cukup dengan resolusi rendah . Satu kelemahan khusus dari metode ini adalah interrefleksi antara bagian-bagian pemandangan, yang dapat menyebabkan pengukuran yang salah.
Sistem ToF agak populer karena harga perangkat konsumen yang menarik yang terutama dirancang untuk interaksi manusia-komputer.
Metode berbasis triangulasi
Sistem berbasis triangulasi mengamati adegan dari dua perspektif, yang membentuk garis dasar. Garis dasar dan titik yang diperiksa membentuk segitiga – dengan mengukur sudut segitiga ini, kita dapat menghitung koordinat 3D yang tepat . Panjang garis dasar dan akurasi pengambilan sudut sangat memengaruhi presisi sistem.
Triangulasi laser =Profilometri
Triangulasi laser adalah salah satu metode penginderaan 3D paling populer. Ini memproyeksikan pita cahaya sempit (atau titik) ke permukaan 3D, yang menghasilkan garis iluminasi yang akan tampak terdistorsi dari sudut selain sudut proyektor . Penyimpangan ini mengkodekan informasi kedalaman.
Karena menangkap satu profil pada satu waktu, sensor atau objek harus bergerak, atau profil laser perlu memindai pemandangan, untuk membuat snapshot utuh.
Untuk merekonstruksi kedalaman profil tunggal, metode ini memerlukan pengambilan gambar pindaian area sempit, di mana ukurannya membatasi kecepatan bingkai dan akibatnya juga kecepatan pemindaian. Selain itu, penghitungan kedalaman mungkin menjadi agak rumit karena bergantung pada penemuan intensitas maksimum dalam gambar 2D yang diambil, yang merupakan masalah yang rumit.
Fotogrametri
Fotogrametri adalah teknik yang menghitung rekonstruksi 3D suatu objek dari sejumlah besar gambar 2D yang tidak terdaftar . Mirip dengan penglihatan stereo, ini bergantung pada tekstur objek tetapi bisa mendapatkan keuntungan dari banyak sampel dari titik yang sama dengan garis dasar yang tinggi. Fotogrametri dapat digunakan sebagai alternatif untuk sistem LiDAR.
Penglihatan stereo
Penglihatan stereo didasarkan pada perhitungan segitiga:kamera – objek yang dipindai – kamera, meniru persepsi kedalaman manusia.
Stereo standar mencari korelasi antara dua gambar (mereka harus memiliki tekstur/detail identik) dan berdasarkan disparitas, ini mengidentifikasi jarak (kedalaman) dari objek. Karena ketergantungan ini pada materi objek, stereo 3D pasif digunakan untuk aplikasi yang tidak mengukur apa pun, seperti menghitung orang.
Untuk mengimbangi kerugian ini, sebuah stereo aktif sistem penglihatan dikembangkan. Metode ini memproyeksikan pola cahaya ke permukaan untuk menciptakan tekstur buatan pada permukaan dan korespondensi dalam pemandangan . Namun, identifikasi korespondensi dan pengukuran satu titik kedalaman memerlukan beberapa piksel tetangga, yang menghasilkan jumlah titik terukur yang rendah dengan ketahanan yang umumnya lebih rendah.
Perhitungan kedalaman didasarkan pada analisis korespondensi antara pasangan gambar stereo, yang kompleksitasnya meningkat dengan ukuran jendela yang cocok dan rentang kedalaman. Untuk memenuhi persyaratan waktu pemrosesan yang ketat, kualitas rekonstruksi sering kali dikompromikan, sehingga metode ini tidak cukup untuk aplikasi tertentu.
Cahaya terstruktur
Metode lain yang juga termasuk dalam pendekatan triangulasi menyinari objek yang dipindai dengan apa yang disebut cahaya terstruktur. Segitiga terbentang antara proyektor, objek yang dipindai, dan kamera . Karena metode ini memungkinkan pengambilan snapshot 3D keseluruhan dari suatu pemandangan tanpa perlu memindahkan bagian apa pun, teknologi cahaya terstruktur memberikan performa dan fleksibilitas tingkat tinggi .
Teknik proyeksi yang canggih digunakan untuk membuat pola terstruktur berkode yang mengkodekan informasi 3D secara langsung dalam pemandangan . Informasi ini kemudian dianalisis oleh kamera dan algoritme internal, memberikan tingkat akurasi dan resolusi yang tinggi .
Sistem lampu terstruktur beresolusi lebih tinggi yang tersedia di pasaran menggunakan banyak bingkai pemandangan, masing-masing dengan pola terstruktur yang diproyeksikan berbeda. Hal ini memastikan informasi 3D per piksel berakurasi tinggi, tetapi memerlukan adegan statis pada saat akuisisi.
Salah satu kelemahan terbesar pendekatan berbasis proyeksi adalah kedalaman bidang (atau rentang kedalaman). Agar proyektor tetap fokus, sistem memerlukan apertur sempit. Ini tidak efisien secara optik, karena cahaya yang terhalang menciptakan panas tambahan dan pantulan internal dalam sistem proyeksi. Ini membatasi penggunaan teknologi ini untuk rentang kedalaman yang lebih tinggi .
Photoneo memecahkan masalah ini dengan laser yang menciptakan pola terstruktur. Sistem Photoneo menyediakan rentang kedalaman yang hampir tidak terbatas , dan juga kemungkinan untuk menggunakan filter bandpass sempit untuk memblokir cahaya sekitar .
Untuk aplikasi bergerak, pendekatan satu bingkai perlu digunakan . Sebuah teknik konvensional adalah untuk menyandikan fitur khas dari sistem multi-bingkai menjadi satu pola terstruktur, dengan dampak yang kuat pada resolusi XY dan Z. Mirip dengan sistem ToF, ada produk berbasis konsumen yang tersedia dalam kategori ini.
Lampu Terstruktur Paralel
Hanya ada satu metode yang mampu mengatasi keterbatasan pemindaian adegan bergerak .
Novel, teknologi yang dipatenkan bernama Lampu Terstruktur Paralel dikembangkan oleh Photoneo dan mengizinkan penangkapan objek bergerak dengan kualitas tinggi . Metode ini menggunakan cahaya terstruktur dalam kombinasi dengan sensor gambar CMOS rana mosaik yang dipatenkan.
Sementara metode cahaya terstruktur menangkap pola berenkode proyektor secara berurutan, Teknologi Cahaya Terstruktur Paralel menangkap beberapa gambar cahaya terstruktur secara paralel – ini adalah perubahan permainan faktor. Karena akuisisi gambar dari permukaan 3D memerlukan banyak bingkai, hasil pemindaian objek bergerak dengan metode cahaya terstruktur akan terdistorsi. Teknologi Cahaya Terstruktur Paralel menangkap pemandangan dinamis dengan merekonstruksi gambar 3D dari satu jepretan sensor .
Sensor khusus terdiri dari blok piksel super yang selanjutnya dibagi menjadi subpiksel. Laser yang berasal dari proyektor cahaya terstruktur menyala sepanjang waktu, sementara eksposur masing-masing piksel dihidupkan dan dimatikan dengan cara yang dikodekan. Dengan cara ini ada satu proyeksi dan satu gambar yang diambil – tetapi gambar ini berisi banyak sub-gambar, masing-masing hampir diterangi oleh pola cahaya yang berbeda.
Hasilnya sangat mirip dengan banyak gambar dari waktu ke waktu, dengan perbedaan bahwa metode baru ini memperolehnya secara bersamaan =itulah sebabnya "Cahaya Terstruktur Paralel". Keuntungan lain dari teknik ini adalah kemungkinan untuk mengalihkan sensor ke mode berurutan dan mendapatkan resolusi 2MP penuh dengan kualitas tingkat metrologi.
Teknologi Cahaya Terstruktur Paralel sehingga menawarkan resolusi tinggi sistem lampu terstruktur multi-frame dan akuisisi satu-frame yang cepat dari sistem ToF.
Photoneo menerapkan teknologi ini ke dalam kamera 3D MotionCam-3D , sehingga mengembangkan kamera 3D pemindaian area beresolusi tertinggi dan akurasi tertinggi yang mampu menangkap objek bergerak .
Kesimpulan
Artikel ini menyajikan sejumlah metode penglihatan 3D dan menjelaskan keunggulan dan kelemahan spesifiknya. Sebagian besar metode 3D canggih membuat kompromi antara kualitas dan kecepatan, baik karena proses akuisisi yang menuntut atau pemrosesan data yang rumit. Satu-satunya teknologi yang memberikan kualitas dan kecepatan secara bersamaan adalah Cahaya Terstruktur Paralel berdasarkan sensor CMOS asli Photoneo. Metode baru ini memperluas jangkauan kemungkinan aplikasi dan mengaktifkan otomatisasi yang sebelumnya tidak memungkinkan.
