Времяпролетные камеры и области их применения

Секция 18. Видеоинформационные технологии и цифровое телевидение[pic 1]

УДК 621.396.41

С.В. Смирнов, Т.О. Климкин

Времяпролетные камеры и области их применения

3D технологии активно проникают во все сферы жизни, от проектирования и строительства огромных зданий до печати на молекулярном уровне. Многие предметы и формы можно создать только с помощью технологии 3D сканирования и 3D печати. От создания виртуальных копий деталей механизмов, древних статуэток и простых предметов быта, до сканирования огромных зданий и территорий. Обучение технологиям 3D сканирования на сегодняшний день является актуальной задачей.

Ключевые слова: 3D-сканирование, 3D-печать, 3D-технологии, получение объекта, цифровая модель 

В современном автономном производстве, в том числе в робототехнике и логистике время от времени появляются задачи, для решения которых эффективно использовать трехмерные изображения на ряду с обычными двумерными данными.

Наблюдается обширное применение 3D-сканирования во многих сферах: от медицины и археологии до метрологии и строительства. Все существующие технологии сканирования можно разделить на две обобщенные категории — сканеры ближнего и дальнего действия, но важно заметить, что любая из них не может универсально решить поставленную проблему. Для решения какой-либо задачи требуется определенная технология или их комбинация. Данная работа посвящена вопросам время пролетного 3D-сканирования, его принципе работы и сферах применения.

Времяпролетные камеры

Камера времени пролета (TOF-камера) - это система камер для визуализации дальности, использующая методы определения времени пролета для определения расстояния между камерой и объектом для каждой точки изображения путем измерения времени прохождения искусственного светового сигнала, формируемого лазером или светодиодом. Лазерные камеры времени пролета являются частью более широкого класса лидаров без сканирования, в которых вся сцена снимается с каждым лазерным импульсом, в отличие от точечной съемки лазерным лучом, например, в системах сканирования лидаров.

Устройство времяпролетных камер

 Времяпролетная камера работает, освещая сцену модулированным источником света и наблюдая за отраженным светом. Как правило, освещение осуществляется твердотельным лазером или светодиодом. Отраженный свет несет информацию, которая распределяется на силу света (уровень яркости) и путь который проходит свет от объекта до сенсора, то есть значение глубины пространства. TOF технология в основном работает по двум различным принципам: импульсном времяпролетном принципе и принципе непрерывной волны. Различие заключается в том, как источник испускает свет и в том, как сенсор его принимает [2].

Принцип непрерывной волны заключается в стабильной передаче энергии и затем получении сигнала от отражающих объектов информации. Основное преимущество данного принципа заключается в том, что энергия не пульсирует, поэтому намного проще изготавливать и эксплуатировать камеры [2].

В импульсном методе источник света формирует короткие световые импульсы, и
отраженная энергия считывается параллельно в каждом пикселе. Электрические заряды, накопленные во время этих световых импульсов, измеряются и используются для вычисления расстояния [2].

Облако точек

В датчиках TOF дистанция измеряется для каждого пикселя в 2D-адресуемом массиве, в итоге чего получается карта глубины. Карта глубины представляет собой комплект 3D-точек (каждая точка называется воксель). 2D-представление карты глубины представляет собой черно-белое изображение, как показано на примере банок с газировкой на (рис. 1) [3]. Чем ярче интенсивность, тем ближе воксель.

[pic 2]

Рис. - Карта глубины банок

В качестве альтернативы карта глубины может быть отображена в трехмерном пространстве в виде набора точек или облака точек. 3D-точки могут быть математически связаны, чтобы сформировать сетку, на которую можно отобразить поверхность текстуры. Если текстура является цветным изображением того же предмета в реальном времени, появится реалистичное 3D-изображение предмета, как показано на рис 2 [3]. Можно повернуть аватар, чтобы просмотреть разные перспективы [3].