3D 영상 이미징의 원리에 대한 철저한 이해

3D 비전 이미징은 산업용 로봇의 정보 인식을 위한 가장 중요한 방법 중 하나로 광학적 이미징 방법과 비광학 이미징 방법으로 나눌 수 있습니다. 현재 가장 많이 사용되는 광학적 방법으로는 비행 시간법, 구조광 방법, 레이저 스캐닝 방법, 모아레 프린지 방법, 레이저 스펙클 방법, 간섭계, 사진 측량법, 레이저 추적 방법, 움직임의 형태, 그림자의 형태, 그리고 다른 ShapefromX. 이 문서에서는 몇 가지 일반적인 방식을 소개합니다.

1. 비행 시간 3D 이미징

TOF(Time-of-Flight) 카메라의 각 픽셀은 빛의 비행 시간 차이를 사용하여 물체의 깊이를 얻습니다.

전통적인 TOF 측정 방법에서 검출기 시스템은 광 펄스가 방출되는 시간에 검출 및 수신 장치를 시작합니다. 탐지기가 대상으로부터 광학 에코를 수신하면 탐지기는 왕복 시간을 직접 저장합니다.

DTOF(Direct TOF)라고도 알려진 D-TOF는 영역 전체의 3D 이미징을 달성하기 위해 스캐닝 기술이 필요한 경우가 많은 단일 지점 거리 측정 시스템에 일반적으로 사용됩니다.

스캐닝 프리 TOF 3D 이미징 기술은 픽셀 수준에서 나노초 이하의 전자 타이밍을 구현하는 것이 매우 어렵기 때문에 최근까지 실현되지 않았습니다.

직접 시간 D-TOF의 대안은 간접 TOF(I-TOF)이며, 여기서 시간 왕복은 빛 강도의 시간 게이트 측정에서 간접적으로 외삽됩니다. I-TOF는 정확한 타이밍을 요구하지 않지만 대신 픽셀 수준에서 구현될 수 있는 시간 게이트 광자 카운터 또는 전하 적분기를 사용합니다. I-TOF는 TOF 카메라를 기반으로 하는 전자 및 광학 믹서용으로 현재 상용화된 솔루션입니다.

TOF 이미징은 넓은 시야, 장거리, 낮은 정밀도, 저렴한 3D 이미지 획득에 사용할 수 있습니다. 그 특징은 다음과 같습니다: 빠른 감지 속도, 넓은 시야, 긴 작동 거리, 저렴한 가격, 낮은 정확도, 주변광의 간섭을 받기 쉽습니다.

2. 3D 이미지 스캔

스캐닝 3D 이미징 방법은 스캐닝 거리 측정, 능동 삼각측량, 분산 공초점 방법 등으로 나눌 수 있습니다. 실제로 분산 공초점 방식은 스캐닝 및 거리 측정 방식인데, 현재 휴대폰, 평판 디스플레이 등 제조업에서 널리 사용되고 있는 점을 고려하여 여기서는 별도로 소개한다.

1. 스캐닝 및 범위 지정

스캐닝 거리 측정은 시준된 빔을 사용하여 1차원 거리 측정을 통해 대상 표면 전체를 스캔하여 3D 측정을 달성하는 것입니다. 일반적인 스캐닝 범위 지정 방법은 다음과 같습니다.

1, 연속파 주파수 변조(FM-CW) 거리 측정, 펄스 거리 측정(LiDAR) 등과 같은 단일 지점 비행 시간 방법;

2, 다중 파장 간섭, 홀로그램 간섭, 백색광 간섭 반점 간섭 등의 원리를 기반으로 하는 간섭계와 같은 레이저 산란 간섭계.

3, 분산 공초점, 자기 초점 조정 등과 같은 공초점 방법.

단일점 범위 스캐닝 3D 방식에서는 단일점 비행 시간법이 장거리 스캐닝에 적합하며 측정 정확도가 일반적으로 밀리미터 수준으로 낮습니다. 다른 단일 지점 스캐닝 방법에는 단일 지점 레이저 간섭계, 공초점 방법 및 단일 지점 레이저 능동 삼각법이 있습니다. 측정 정확도는 더 높지만 전자는 환경 요구 사항이 높습니다. 라인 스캐닝 정확도 보통, 고효율. 로봇 팔 끝에서 3D 측정을 수행하는 데에는 능동형 레이저 삼각측량 방식과 분산 공초점 방식이 더 적합합니다.

2. 활성 삼각 측량

능동 삼각 측량 방법은 삼각 측량 원리를 기반으로 하며 시준된 빔, 하나 이상의 평면 빔을 사용하여 대상 표면을 스캔하여 3D 측정을 완료합니다.

빔은 일반적으로 레이저 시준, 원통형 또는 4각형 원통형 각도 빔 확장, 구멍을 통한 비간섭성 광(예: 백색광, LED 광원), 슬릿(격자) 투영 또는 간섭성 광 회절 등의 방법으로 얻습니다.

능동 삼각측량은 단일 지점 스캐닝, 단일 라인 스캐닝, 멀티 라인 스캐닝의 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 현재 로봇팔 끝에 사용하기 위해 상용화된 제품은 대부분 단일 포인트 및 단일 라인 스캐너입니다.

멀티라인 스캐닝 방식에서는 프린지 폴 번호를 확실하게 식별하기가 어렵습니다. 스트라이프 번호를 정확하게 식별하기 위해 일반적으로 두 세트의 수직 광학 평면의 고속 교대 이미징이 채택되며 "FlyingTriangulation" 스캐닝도 실현할 수 있습니다. 스캐닝 및 3차원 재구성 과정은 다음 그림에 나와 있습니다. 희박한 3D 뷰는 다중 라인 프로젝션 스트로보스코픽 이미징에 의해 생성되고 여러 3D 뷰 시퀀스는 세로 및 가로 프린지 프로젝션 스캐닝에 의해 생성됩니다. 그런 다음 3D 이미지 매칭을 통해 고해상도의 완전하고 컴팩트한 3D 표면 모델이 생성됩니다.

3. 분산 공초점 방식

분산 공초점은 반사 거울, 투명 유리 표면 등과 같이 거칠고 매끄러운 불투명 및 투명한 물체를 스캔하고 측정할 수 있는 것으로 보이며 현재 휴대폰 커버 플레이트의 3차원 감지 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

분산 공초점 스캐닝에는 단일 지점 1차원 절대 거리 측정 스캐닝, 다점 배열 스캐닝 및 연속 라인 스캐닝의 세 가지 유형이 있습니다. 다음 그림에는 절대 범위 지정 및 연속 라인 검색의 두 가지 유형의 예가 각각 나열되어 있습니다. 그중 연속 라인 스캐닝도 배열 스캐닝이지만 배열의 격자가 더 많고 밀도가 높습니다.

상용 제품에서 더 잘 알려진 스캐닝 스펙트럼 공초점 센서는 프랑스의 STILMPLS180으로, 180개의 어레이 포인트를 채택하여 최대 라인 길이 4.039mm(측정 포인트 11.5pm, 포인트 간 간격 22.5pm)의 라인을 형성합니다. 또 다른 제품은 핀란드의 FOCALSPECULA입니다. 분산 공초점 삼각형 기술이 채택되었습니다.

3. 구조화된 광 프로젝션을 통한 3D 이미징

구조적 광 투영 3D 이미징은 현재 로봇 3D 시각적 인식의 주요 방법이며 구조적 광 이미징 시스템은 여러 프로젝터와 카메라로 구성되며 일반적으로 사용되는 구조 형태는 단일 프로젝터-단일 카메라, 단일 프로젝터-이중 카메라, 단일 프로젝터-다중 카메라입니다. 카메라, 단일 카메라 - 이중 프로젝터 및 단일 카메라 - 다중 프로젝터 및 기타 일반적인 구조 형태.

구조광 프로젝션의 3D 이미징의 기본 작동 원리는 프로젝터가 특정 구조광 조명 패턴을 대상 물체에 투사하고 대상에 의해 변조된 이미지를 카메라로 캡처한 다음 이미지를 통해 대상 물체의 3D 정보를 얻는 것입니다. 처리 및 시각적 모델.

일반적으로 사용되는 프로젝터에는 주로 액정 투사(LCD), 디지털 광 변조 투사(DLP: 디지털 마이크로미러 장치(DMD) 등), 레이저 LED 패턴 직접 투사 등의 유형이 있습니다.

구조광 프로젝션의 수에 따라 구조광 프로젝션의 3D 이미징은 단일 프로젝션 3D 방식과 다중 프로젝션 3D 방식으로 나눌 수 있습니다.

1. 단일 프로젝션 이미징

단일 투영 구조광은 주로 공간 다중화 코딩과 주파수 다중화 코딩에 의해 구현됩니다. 일반적인 코딩 형식에는 색상 코딩, 회색 인덱스, 기하학적 모양 코딩 및 임의 지점이 있습니다.

현재 로봇 손-눈 시스템을 적용할 때 팔레타이징, 언팔레타이징, 3D 파악 등과 같이 3D 측정 정확도가 높지 않은 경우 의사 무작위 지점을 투영하여 대상의 3D 정보입니다. 3D 이미징 원리는 다음 그림에 나와 있습니다.

2. 다중 투영 이미징

다중 프로젝션 3D 방식은 주로 시간 다중화 코딩(Time Multiplexing Coding)으로 구현됩니다. 일반적으로 사용되는 패턴 코딩 형식은 이진 코딩, 다중 주파수 위상 시프트 코딩 τ35 및 혼합 코딩(예: 그레이 코드 10위상 시프트 프린지)입니다.

프린지 프로젝션 3D 이미징의 기본 원리는 아래 그림에 나와 있습니다. 구조화된 광 패턴은 컴퓨터에 의해 생성되거나 특수 광학 장치에 의해 생성되며, 광학 투영 시스템을 통해 측정 대상의 표면에 투영된 후 이미지 수집 장치(예: CCD 또는 CMOS 카메라)를 사용하여 수집됩니다. 물체의 표면에 의해 변조된 변형된 구조광 이미지. 이미지 처리 알고리즘은 이미지의 각 픽셀과 개체 윤곽선의 점 사이의 대응 관계를 계산하는 데 사용됩니다. 마지막으로 시스템 구조 모델 및 교정 기술을 통해 측정 대상의 3차원 윤곽 정보를 계산합니다.

실제 응용에서는 그레이 코드 투영, 정현파 위상 편이 프린지 투영 또는 그레이 코드 10 정현파 위상 편이 혼합 투영 3D 기술이 종종 사용됩니다.

3. 편향 이미징

표면이 거친 경우 구조광을 물체 표면에 직접 투사하여 시각적 이미징 측정을 수행할 수 있습니다. 그러나 반사율이 큰 매끄러운 표면과 거울 물체의 3D 측정의 경우 구조화된 광 투영을 측정된 표면에 직접 투영할 수 없으며 3D 측정에는 다음 그림과 같이 거울 편향 기술도 사용해야 합니다.

이 방식에서는 줄무늬가 측정된 윤곽선에 직접 투영되지 않고 산란 화면에 투영되거나 산란 화면 대신 LCD 화면을 사용하여 줄무늬를 직접 표시합니다. 카메라는 밝은 표면을 통과하는 빛의 경로를 추적하고 밝은 표면의 곡률 변화에 따라 변조된 무늬 정보를 얻은 다음 3D 프로파일을 해결합니다.

4. 스테레오 비전 3D 이미징

스테레오비전(Stereovision)이란 말 그대로 한쪽 또는 양쪽 눈으로 3차원 구조를 인식하는 것을 말하며 일반적으로 서로 다른 시점에서 두 개 이상의 영상을 얻어 대상 물체의 3차원 구조나 깊이 정보를 재구성하는 것을 말한다.

깊이 인식 시각적 단서는 안구 단서와 쌍안 단서(양안 시차)로 나눌 수 있습니다. 현재 입체 3D는 단안시, 양안시, 다안시, 명시야 3D 이미징(전자복안 또는 어레이 카메라)을 통해 구현될 수 있다.

1. 단안 시각 영상

단안 깊이 인식 단서에는 일반적으로 원근감, 초점 거리 차이, 다중 비전 이미징, 적용 범위, 그림자, 모션 시차 등이 포함됩니다. 로봇 비전에서는 거울 1과 X10의 다른 모양 및 기타 방법을 사용하여 달성할 수도 있습니다.

2. 양안시 영상

양안 깊이 인식의 시각적 단서는 눈의 수렴 위치와 양안 시차입니다. 머신 비전에서는 두 대의 카메라를 사용하여 두 개의 시점에서 동일한 대상 장면에 대한 두 개의 시점 이미지를 얻은 다음 두 시점의 이미지에서 동일한 지점의 시차를 계산하여 대상 장면의 3차원 깊이 정보를 얻습니다. 일반적인 양안 입체시 계산 프로세스는 이미지 왜곡 보정, 스테레오 이미지 쌍 보정, 이미지 등록 및 삼각 측량 재투영 시차 맵 계산의 네 단계로 구성됩니다.