Next Level ToF
High-Speed Time-of-Flight mit großem Dynamikumfang
Mit der neuen Helios2+ Time-of-Flight (ToF) Kamera macht Lucid Vision den Weg frei für Anwendungen mit höchsten Anforderungen in Bezug auf Dynamikumfang und Geschwindigkeit der Bilderfassung. Dafür sorgen ein neuer HDR-(High Dynamic Range) sowie ein High-Speed-Modus.
Bild 1 | Bei der Helios2+ Time-of-Flight Kamera nutzt Lucid eine vollautomatisierte Belichtungszeitanpassung und Bildakkumulation, mit der HDR-3D-Scans komplett in der Kamera möglich sind. Dabei werden mehrere Aufnahmen auf Phasenebene kombiniert und die optimale Belichtungszeit automatisch ausgewählt .
Bild 1 | Bei der Helios2+ Time-of-Flight Kamera nutzt Lucid eine vollautomatisierte Belichtungszeitanpassung und Bildakkumulation, mit der HDR-3D-Scans komplett in der Kamera möglich sind. Dabei werden mehrere Aufnahmen auf Phasenebene kombiniert und die optimale Belichtungszeit automatisch ausgewählt . Bild: Lucid Vision Labs Inc

Seit der Einführung der ersten Generation der Helios ToF-Kamera im Jahr 2019 hat Lucid die ToF-Plattform kontinuierlich verbessert. Basierend auf dem Sony DepthSense IMX556PLR ToF-Sensor mit Backside-Illumination-Technologie erweiterte jede neue Kamerageneration den Funktionsumfang und steigerte die 3D-Erfassungsleistung, zum Beispiel durch die Verbesserung der Hardwareplattform von Lucid oder durch Optimierungen der Verarbeitungspipeline des Helios-Bildsignalprozessors (ISP). Damit konnte unter anderem der Arbeitsbereich auf maximal 8,3m erweitert werden, während die Tiefenerkennungsgenauigkeit auf ±4mm erhöht wurde. Außerdem wurde ein Kommunikationskanal entwickelt, der den Betrieb von bis zu fünf ToF-Kameras nebeneinander ohne Lichtinterferenzen ermöglicht. Neue Pixelfilter- und Bildakkumulationsmodi haben die Qualität der Punktwolke weiter optimiert. Dennoch gab es bislang Situationen, in denen die Einschränkungen und Anforderungen des industriellen Umfelds die Verwendung von Time-of-Flight als Mittel zur 3D-Tiefenerfassung erschwerten. Insbesondere komplexe Bildszenen mit Objekten mit hohem und niedrigem Reflexionsvermögen oder Installationen, bei denen sich entweder die Kamera oder das Zielobjekt bewegen, sind eine Herausforderung für ToF-Kameras. Speziell hierfür hat Lucid jetzt die Helios2+ Kamera mit integriertem HDR-Modus (High Dynamic Range Imaging) und High-Speed-Modus eingeführt. Die Kamera verfügt über dieselbe Industrieplattform wie die Vorgängergeneration und ist mechanisch und elektronisch zu 100% mit der Helios2 kompatibel. Das ermöglicht ein nahtloses Upgrade in bestehenden Applikationen.

Bild 2 | Mit dem neuen High-Speed Modus können Objekte mit einer Geschwindigkeit von bis zu 3m/s ohne Verzerrung aus einer Entfernung von 2m abgebildet werden.
Bild 2 | Mit dem neuen High-Speed Modus können Objekte mit einer Geschwindigkeit von bis zu 3m/s ohne Verzerrung aus einer Entfernung von 2m abgebildet werden.Bild: Lucid Vision Labs Inc

HDR für 3D-Aufnahmen

Eine Herausforderung für ToF sind unterschiedliche Reflexionseigenschaften, die mit einer Aufnahme erfasst werden sollen. Solche Anwendungen, zum Beispiel in der Automobilmontage mit einem breiten Spektrum an Materialien, Texturen und Oberflächenqualitäten oder bei Logistik- und Verpackungsanwendungen, bei denen die Art der Objekte stark variieren kann, erfordern einen hohen Dynamikumfang bei der Bilderfassung. Eine korrekte Abbildung mit einer festen Belichtungszeit ist in solchen Fällen schwierig. Mit der Helios2 ToF-Kamera konnte die Belichtungszeit aus drei vorkalibrierten Werten (62,5, 250 und 1000µs) ausgewählt und mehrere Bilder kumuliert werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis und die Genauigkeit der Tiefenmessung zu verbessern. Dies war zwar hilfreich bei der Anpassung an unterschiedliche Bildgebungsbedingungen, erforderte jedoch eine szenenspezifische Parametrierung durch den Anwender und möglicherweise eine zusätzliche Nachbearbeitung, bei der mehrere Punktwolken miteinander kombiniert und so eine 3D-Tiefenkarte mit erweitertem Dynamikbereich erstellt werden musste. Mit der neuen Helios2+ Kamera nutzt Lucid nun eine vollautomatisierte Belichtungszeitanpassung und Bildakkumulation, mit der HDR-3D-Scans komplett in der Kamera realisiert werden. In diesem Modus werden mehrere Aufnahmen auf Phasenebene kombiniert und die optimale Belichtungszeit automatisch ausgewählt – auf Pixelebene und direkt im ISP der Kamera. Das Ergebnis ist eine Punktwolke, die mit hohem Dynamikbereich ausgegeben wird. Dabei findet die gesamte Datenverarbeitung vollständig in der Kamera statt.

Kastenbild
KastenbildBild: Lucid Vision Labs Inc

High-Speed-ToF

Eine weitere technische Herausforderung für ToF sind Anwendungen, die eine hohe Aufnahmegeschwindigkeit erforderten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kameras wird bei ToF die Zeitverzögerung gemessen, mit der das Licht von einer Lichtquelle über die Reflexion am Motiv bis zum Sensor gelangt. Die spezielle Art der Laufzeitmessung mit dem Sony IMX556 DepthSense-Sensor wird als kontinuierliche Wellenmodulation bezeichnet, auch bekannt als CW-Phasenverschiebung (Continuous Wave) oder indirekte Lichtlaufzeit. Anstatt die Zeitverzögerung eines einzelnen Lichtimpulses zu messen, sendet die Helios-Kamera dabei kontinuierlich moduliertes Licht aus. Die Phasenverschiebung zwischen dem emittierten Licht und dem reflektierten Licht wird zur Berechnung der Entfernung verwendet. Um eine höhere Genauigkeit zu erreichen, werden dabei mehrere Mikrobilder erfasst, um eine einzelne Tiefenberechnung durchzuführen. Im Falle des Helios-Standardaufnahmemodus bilden vier solcher Mikrobilder ein Tiefenbild, wobei die Bilder jeweils um 90° (0°, 90°, 180°, 270°) zueinander phasenverschoben sind. Damit die Helios-Kamera mit 30fps arbeiten kann, muss sie folglich 120 Mikro-Frames aufnehmen. Dieses Erfassungsschema ist für eine hohe Tiefengenauigkeit optimiert. Allerdings kann das Verfahren zu Verzerrungen führen, wenn sich das Ziel oder die Kamera während der Erfassung der vier Mikro-Frames zu schnell bewegen. Die maximale Bildrate der Helios ToF-Kamera kann in solchen Fällen eingeschränkt werden.

Um den Anforderungen solcher hochdynamischer Anwendungen, zum Beispiel bei der Inspektion von Förderbändern, gerecht zu werden, hat Lucid einen neuen Erfassungsmodus für die Helios2+ Kamera entwickelt. Der neue High-Speed ToF-Modus ermöglicht die Tiefenerfassung mit einer einphasigen Messung, um eine schnellere Aufnahmegeschwindigkeit und höhere Bildrate zu erreichen – mit geringen Einschränkungen bezüglich der absoluten Genauigkeit und des Messabstandsbereichs. Die maximale Bildrate wird in diesem Modus auf 110fps erhöht und Objekte mit einer Geschwindigkeit von bis zu 3m/s können ohne Verzerrung aus einer Entfernung von 2m abgebildet werden.

www.thinklucid.com

Auf der Vision 2021 präsentierte Prophesee erstmals die ereignisbasierte Triton Factory Tough GigE Vision-Kamera, die mit einem Metavision-Sensor der dritten Generation von Prophesee ausgestattet ist und eine Auflösung von 640×480 Pixeln sowie Kontrasterkennung (CD) ermöglicht. Die mit dem Vision Award 2021 ausgezeichnete Event-based Visiontechnologie eröffnet neue industrielle Anwendungen, da sie die Leistung deutlich verbessert, den Stromverbrauch senkt und eine flexiblere Lösung für Visionanwendungen wie Bewegungsanalyse, Vibrationsüberwachung, Objektverfolgung, optischer Fluss, autonomes Fahren, High-Speed-Erkennung und -Verfolgung und vieles mehr bietet. So wird bei der Vibrationsüberwachung, die Vibrationsfrequenzen kontinuierlich und pixelgenau überwacht, indem die zeitliche Entwicklung jedes Pixels in der Szene verfolgt wird. Für jedes Ereignis koordiniert das Pixel die Polarität der Veränderung und ein genaue Zeitstempel wird aufgezeichnet, wodurch ein Verständnis für das Vibrationsmuster entsteht. www.prophesee.de

www.thinklucid.com

Lucid Vision Labs Inc

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