Zentimetergenau

Gepulste Time-of-Flight-Kamera mit 640×480 Pixeln

Gleichzeitig mit einer Kamera ein 2D- und ein 3D-Bild aufnehmen zu können, ist bei vielen Anwendungen eine Wunschvorstellung. Bisher ist dies hauptsächlich durch den kombinierten Einsatz verschiedener Technologien, z.B. der Verwendung mehrerer Kameras oder Kameras plus Laserscanner, möglich. Eine Time-of-Flight-Kamera (ToF-Kamera) hingegen liefert 2D- und 3D-Informationen auf einen Schlag.
ToF-Kameras werden für Anwendungen eingesetzt, bei denen Abstands- oder Volumen-Informationen eine Rolle spielen. Ein Beispiel sind Fahrerassistenzsysteme im Automobilbereich. Die Kamera als vorausschauender Assistent kann im Notfall eine Bremsung selbstständig einleiten oder unterstützen. In der Logistik können ToF-Kameras verwendet werden, um Pakete zu befüllen oder Paletten zu stapeln. Roboter und autonome Transportfahrzeuge mit ToF-Kameras können ihre Umgebung schnell überblicken und Hindernissen ausweichen. Diese Anwendungen lassen den Arbeitsbereich von ToF-Kameras bereits erahnen: sie arbeiten typischerweise in Entfernungen ab 0,5m. Der Arbeitsbereich der neuen ToF-Kamera von Basler liegt zwischen 0,5 bis 5m.

Messprinzip

Im Gegensatz zu einer klassischen Bildverarbeitungskamera besteht eine ToF-Kamera nicht nur aus Optik, Sensor, Auswerteeinheit und Schnittstelle, sondern verfügt auch über eine eigene Lichtquelle und Steuerelektronik. Wie der Name schon verrät, misst die Kamera Abstände anhand der Laufzeit von Licht. Das Grundprinzip einer ToF-Kamera ist folgendermaßen: Die Lichtquelle der Kamera sendet Licht aus. Die Zeit, die das Licht für den Weg von der Lichtquelle zum Objekt und zurück zur Kamera benötigt, wird gemessen. Je größer der Abstand zwischen Kamera und Objekt, desto mehr Zeit braucht das Licht für die Strecken. Lichtquelle und Sensor können nun so synchronisiert werden, dass die Abstände aus den Bilddaten errechnet werden können. Bei der hier vorgestellten ToF-Kamera handelt es sich um eine gepulste Time-of-Flight-Kamera. Im Gegensatz zu Continuous Wave-ToF-Kameras sendet dieser Kameratyp einen Lichtpuls und keine sinus-modulierte Welle aus. Der Vorteil liegt vor allem in der geringeren Empfindlichkeit gegenüber Hintergrundlicht und der Geschwindigkeit des Verfahrens. Durch kürzere, intensivere Lichtpulse lassen sich bessere Ergebnisse in kürzerer Zeit erzielen. Bereits das Engineering Sample der Basler ToF-Kamera verfügt über 640×480 Bildpunkte und liefert 15fps. Das entspricht 4,6Mio Entfernungsmessungen in nur einer Sekunde. Diese lassen sich realisieren, indem man nicht direkt die Laufzeit des Lichts, sondern die Lichtintensität – integriert über einen bestimmten Zeitraum – misst. Bedingt durch das Messprinzip muss man mit sehr kurzen Lichtpulsen im Bereich von Nanosekunden arbeiten. Während einer Aufnahme wird die Lichtquelle viele tausend Mal ein- und wieder ausgeschaltet. Zusätzlich werden Messungen ohne angeschaltete Lichtquelle durchgeführt, um das Hintergrundlicht herausrechnen zu können. Die neue ToF-Kamera verwendet einen nativen ToF-Sensor mit relativ großen Pixeln und einem guten Rauschverhalten. Zudem arbeitet sie mit Licht im NIR-Bereich. So können viele Störungen minimiert werden.

Einflussfaktoren

In der Realität gibt es viele Einflussfaktoren, die Auswirkungen auf die Messungen einer ToF-Kamera haben und die Messgenauigkeit einschränken können. Dazu gehören: Mehrfach-Reflexionen, Streulicht, Umgebungslicht und Temperatur. Für die Messung wird die Laufzeit des Lichtes für den direkten Hinweg zur Oberfläche und zurück zur Kamera benötigt. Licht, welches auf Umwegen die Oberfläche erreicht, verfälscht die Messung und täuscht höhere Entfernungen vor. Solche Mehrfach-Reflexionen treten z.B. bei Zimmerecken oder dem Boden einer Kaffeetasse auf, die daher ungenauer zu messen sind als etwa eine flache Wand vor der Kamera. Die ToF-Kamera sollte nicht im direkten Sonnenlicht verwendet werden, denn dessen hohe Intensität stört die Messung. Auch sollte sie wegen der Rauschempfindlichkeit der Messung nicht bei hohen Temperaturen betrieben werden.

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Inspired by the Kinect

Although different 3D cameras and scanners have existed for some time, present solutions have been limited by several unwanted compromises. If you wanted high speed, you would get very low resolution and accuracy (e.g. Time-of-Flight cameras and existing stereo vision cameras, which despite being fast typically have resolution in the millimeter to centimeter range). If you wanted high resolution and accuracy, you would typically get a camera that was slow and expensive (e.g. the high accuracy scanners).

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