cookieOptions = {...}; .3D 攝影機選擇指南 你知道自己需要什麼樣的 3D 攝影機嗎? - 3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網

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2020年1月8日 星期三

O3D 3D Sensor with 
PMD time-of-flight technology



知象光電


隨著 3D 成像技術日趨成熟,3D 攝影機已經出現在日常服務、金融支付、物流分揀、加工製造等越來越多的應用場景中。但仍有許多使用者,由於不甚瞭解不同類型 3D 攝影機之間的差異,在進行設備選擇時存在諸多困惑。本文將系統介紹各類 3D 攝影機的基本原理、特點以及相互之間的差異,幫助您更好地完成相機選型。

什麼是 3D 攝影機
普通數位相機輸出的圖像以二維像素網格構成。依據每個像素的屬性將其定義為紅色(Red)、綠色(Green)、藍色(Blue),通常稱為 RGB。不同屬性的像素可以用 0-255 的數字來表示,例如,黑色的相應值為(0,0,0),純鮮紅色的相應值是(255,0,0)。成千上百萬的像素可以構成我們常見的照片。


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高精度 3D 攝影機 Ailook  支持 3D 即时成像

3D 攝影機的不同之處在於,它可以測量普通數位相機無法測量的深度數據。所謂深度數據,就是像素到攝影機的距離。所以 3D 攝影機可以獲取四個值,分別是 RGB 值和深度資訊,即RGB-D。


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3D 攝影機輸出的深度資訊,可以透過不同的形式顯示出來。在上圖示例中,左邊為彩色圖,右邊為深度圖。深度圖中的不同顏色,表示像素到相機的距離,青色表示距離相機最近,而紅色則表示距離攝影機最遠。其實深度圖的顯示,使用什麼顏色不重要,只是為了便於辨識。

3D 攝影機的常見類型
3D 攝影機透過其使用的深度數據計算方式,來進行分類。不同類型的 3D 攝影機都有其優點與限制性,所以選取何種 3D 攝影機,就取決於使用者的實際需求。常見的選型要素有:最遠測量距離、最高精度、是否支持戶外使用這三點。

1.結構光與編碼光
結構光 3D 攝影機機與編碼光 3D 攝影機,都是透過光源發射器投射光(通常是紅外光)到物體。所投射的光是有特定圖案的。這種特定的圖案,可以從視覺層面進行設置,也可以從時間層面進行設置,還可以是這兩個方式的結合。

由於光投影的圖案是既定的,所以 3D 攝影機的內置感測器,透過辨識場景中的圖案,就可以獲取到深度資訊。例如下圖,如果光的既定圖案是一系列條紋,當它投射到一個球上,這些條紋將會依據球的表面,產生特定形變,且當球靠近光源發射器時,圖案還會發生相應的改變。


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利用既定圖像,與攝影機辨識到的實際圖像之間的差異,可以計算出每個像素到攝影機的距離。這項技術的核心是需要精準辨識所投射的光的圖案。

但是攝影機投射出的光的功率,會因為距離變大而衰減,還會受到環境中其他攝影機或設備,發出的紅外線噪音的干擾,因此,編碼光和結構光攝影機適合在室內,進行短距離作業。


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工業 3D 攝影機 Surface  採用雙目紅外結構光技術

2.立體視覺
立體視覺攝影機依據內置的感測器數量,可分為單目立體視覺攝影機(內置單個感測器)與雙目立體視覺(內置兩個感測器)攝影機。由於它們工作原理相同,以下舉例均以雙目立體視覺技術為例進行介紹。

立體視覺攝影機常利用紅外光來提高測量精度,並且可利用一切光進行測量,這一點不同於上文介紹的編碼光,或結構光 3D 攝影機。雙目立體視覺攝影機內置兩個感測器,可以分別得到出兩組圖像的深度資訊。由於感測器之間的距離是已知的,透過計算,便可以得到被測對象的深度資訊。


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雙目立體視覺攝影機的工作原理,與人眼進行深度感知的原理類似。人的兩眼分別可看見一幅圖像,大腦可以計算出兩眼之間的差異,距離物體近的一隻眼,所辨識出的物體移動幅度更大,而距離物體遠的一隻眼,所辨識出的移動幅度,就就小一些。


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雙目立體視覺攝影機在大多數照明條件下,甚至是戶外,它都能保持良好的性能。如為其配置紅外光發射器,那麼即使在光照條件差的環境中,它依然能敏銳感知深度資訊。

雙目立體視覺攝影機的另一個優點是,在特定場景中,攝影機的使用數量是沒有限制的,不會出現多個編碼光攝影機或TOF相機,同時使用時出現的互相干擾的問題。


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雙目立體視覺攝影機所能測量的距離,取決於兩個內置感測器之間的距離,也就是基線距離。基線距離越寬,相機可測試的距離就越遠。事實上,天文學家們使用一種相似的技術,來測量恆星距地球的距離。

先測量一顆恆星在天空中的位置,六個月後,當地球運轉到軌道中,離原始測量點最遠位置時,再次測量同一恆星位置。這樣,天文學家就可以利用大約 3 億公里的基線距離,計算出恆星距離地球的位置(恆星的深度資訊)。

3.TOF 攝影機
每種 3D 攝影機都依賴已知資訊來推斷深度資訊。例如,在立體視覺技術中,基線距離是已知的。在編碼光和結構光技術中,光的圖案是已知的。而在 TOF 技術(Time of Flight)方面,光速則是用來計算深度的已知變量。


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所有類型的 TOF 攝影機都會發射某種光線,用來掃射全場,然後測算光反射回來的時間。根據光的功率和波長,TOF 攝影機可適用遠的距離的測量工作,例如,用 TOF 攝影機在直升機上,進行地圖繪製的相關測量工作;汽車自動駕駛中常使用的雷射定位器。

TOF 攝影機的缺點是,在相同空間內,其他攝影機的光會對它們造成較強干擾,而且在室外環境下也不適用。

你能用 3D 攝影機做什麼?

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工業 3D 攝影機 Raygo  重複精度最高可達 5μm

3D 攝影機可以讓任何設備和系統,不需要人工干預的方式理解場景。雖然電腦可以實現理解 2D 圖像,但這需要投入大量的時間和成本,來訓練機器學習網路。

3D 攝影機本身可提供一些,無需訓練便可辨識的資訊,例如,3D 攝影機可直接區分前景、背景、場景,從圖像中剔除背景物,這對於需要分割背景的相關應用中,非常有幫助。

本文為解釋 3D 攝影機的類別及工作原理,列舉了一些應用場景。而實際上,3D 攝影機可應用的範圍,遠比這廣泛的多。未來,3D 視覺技術不僅能幫助設備看得更遠、更立體、更精準,同時還能聯合人工智慧,助力更多領域的升級、創新。

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