Les principales technologies de détection 3D

Notre précédent article intitulé "Systèmes de vision 3D - lequel est fait pour vous ?" couvert les paramètres les plus importants des systèmes de vision 3D, et quels sont les compromis pour certains paramètres étant plutôt élevés . Les paramètres discutés comprenaient le volume de numérisation, l'acquisition et le temps de traitement des données, la résolution, l'exactitude et la précision, la robustesse, la conception et la connectivité, ainsi que le rapport prix/performance.

Chacun de ces paramètres joue son rôle dans des applications spécifiques - où un paramètre est clé, un autre peut être mineur et vice versa.

Nous nous référerons à ces paramètres pour une meilleure comparaison des technologies individuelles derrière les systèmes de vision 3D et des possibilités qu'elles offrent.

Technologies de détection 3D

Les technologies qui alimentent les systèmes de vision 3D peuvent être divisées en deux grands groupes . On utilise le temps de vol principe et l'autre le principe de triangulation :

R. Temps de vol

• Scan de zone
• LiDAR

B. Méthodes basées sur la triangulation

• Triangulation laser (ou profilométrie)
• Photogrammétrie
• Vision stéréo (passive et active)
• Lumière structurée (un cadre, plusieurs cadres)
• La nouvelle technologie "lumière structurée parallèle"

Cet article discutera des différences fondamentales entre ces techniques. Ensuite, il se concentrera sur un aspect majeur avec lequel ils luttent tous, aucun d'entre eux n'étant en mesure de l'aborder de manière satisfaisante - à l'exception d'un seul. Cet aspect est la capture de données de haute qualité des scènes en mouvement . Il existe une seule et nouvelle technologie qui permet la numérisation de zone d'instantané d'objets en mouvement rapide en haute qualité, éliminant ainsi le besoin de faire un compromis entre qualité et vitesse . Cette méthode est couverte à la fin de cet article. Mais allons-y étape par étape.

Temps de vol (ToF)

Les systèmes ToF sont basés sur la mesure du temps pendant lequel un signal lumineux émis par la source lumineuse frappe l'objet scanné et revient vers le capteur . Alors que la vitesse de balayage est relativement élevée, la limitation est la vitesse de la lumière elle-même. Même une petite erreur dans le calcul du moment d'incidence de la lumière peut entraîner une erreur de mesure allant de millimètres à centimètres. Une autre limitation est que ces capteurs offrent une résolution relativement faible.

Il existe deux techniques distinctes utilisant l'approche ToF :le LiDAR et la détection de zone.

LiDAR

Les systèmes LiDAR échantillonnent un (ou quelques) points 3D à la fois . Pendant le balayage, ils modifient la position ou l'orientation du capteur pour balayer tout le volume de fonctionnement.

Détection de zone ToF

Les systèmes ToF basés sur la détection de zone utilisent un capteur d'image spécial pour mesurer le temps pour plusieurs mesures dans un instantané 2D . Ils ne fournissent pas une qualité de données aussi élevée que les systèmes LiDAR, mais ils sont bien adaptés aux applications dynamiques qui se contentent d'une faible résolution . Un inconvénient particulier de cette méthode sont les interréflexions entre les parties de la scène, qui peuvent entraîner des mesures erronées.

Les systèmes ToF sont plutôt populaires en raison du prix attractif des appareils grand public principalement conçus pour l'interaction homme-ordinateur.

Méthodes basées sur la triangulation

Les systèmes basés sur la triangulation observent les scènes sous deux angles, qui forment une ligne de base. La ligne de base et le point inspecté forment un triangle - en mesurant les angles de ce triangle, nous pouvons calculer les coordonnées 3D exactes . La longueur de la ligne de base et la précision de la récupération des angles affectent fortement la précision d'un système.

Triangulation laser =Profilométrie

La triangulation laser est l'une des méthodes de détection 3D les plus populaires. Il projette une bande étroite de lumière (ou un point) sur une surface 3D, ce qui produit une ligne d'éclairage qui apparaîtra déformée sous un angle autre que celui du projecteur . Cet écart code les informations de profondeur.

Parce qu'il capture un profil à la fois, soit le capteur ou l'objet doit se déplacer, soit le profil laser doit balayer la scène pour créer un instantané complet.

Afin de reconstruire la profondeur pour un seul profil, cette méthode nécessite la capture d'une image de balayage à zone étroite, sa taille limitant la fréquence d'images et par conséquent également la vitesse de balayage. De plus, le calcul de la profondeur peut devenir assez compliqué car il repose sur la recherche de maxima d'intensité dans les images 2D capturées, ce qui est à lui seul un problème complexe.

Photogrammétrie

La photogrammétrie est une technique qui calcule la reconstruction 3D d'un objet à partir d'un grand nombre d'images 2D non enregistrées . Comme pour la vision stéréo, elle s'appuie sur la texture de l'objet mais elle peut bénéficier de plusieurs échantillons du même point avec une ligne de base élevée. La photogrammétrie peut être utilisée comme alternative aux systèmes LiDAR.

Vision stéréo

La vision stéréo est basée sur le calcul du triangle :caméra – objet scanné – caméra, imitant la perception humaine de la profondeur.

La stéréo standard recherche des corrélations entre deux images (ils doivent avoir une texture/des détails identiques) et en fonction de la disparité, il identifie la distance (profondeur) de l'objet. En raison de cette dépendance vis-à-vis du matériau d'un objet, la stéréo 3D passive est utilisé pour les applications qui ne mesurent rien, comme le comptage de personnes.

Pour compenser cet inconvénient, une stéréo active système de vision a été développé. Cette méthode projette un motif lumineux sur la surface pour créer une texture artificielle sur la surface et des correspondances dans la scène . Cependant, l'identification des correspondances et la mesure d'un seul point de profondeur nécessite plusieurs pixels voisins, ce qui se traduit par un faible nombre de points mesurés avec une robustesse généralement moindre.

Le calcul de profondeur est basé sur une analyse des correspondances entre le couple d'images stéréo, dont la complexité augmente avec la taille de la fenêtre d'appariement et la plage de profondeur. Afin de répondre à des exigences strictes en matière de temps de traitement, la qualité de la reconstruction est souvent compromise, ce qui rend la méthode insuffisante pour certaines applications.

Lumière structurée

Une autre méthode qui appartient également aux approches de triangulation éclaire l'objet scanné avec une lumière dite structurée. Le triangle s'étend entre un projecteur, l'objet numérisé et une caméra . Parce que cette méthode permet de capturer l'intégralité de l'instantané 3D d'une scène sans avoir besoin de déplacer des pièces, la technologie de lumière structurée offre un haut niveau de performance et de flexibilité .

Des techniques de projection sophistiquées sont utilisées pour créer un motif structuré codé qui encode les informations 3D directement dans la scène . Ces informations sont ensuite analysées par la caméra et des algorithmes internes, offrant un haut niveau de précision et de résolution .

Les systèmes d'éclairage structuré à haute résolution disponibles sur le marché utilisent plusieurs images de la scène, chacune avec un motif structuré projeté différent. Cela garantit une information 3D par pixel de haute précision mais nécessite une scène statique au moment de l'acquisition.

L'un des plus gros inconvénients des approches basées sur la projection est la profondeur de champ (ou plage de profondeur). Pour maintenir la mise au point du projecteur, le système a besoin d'une ouverture étroite. Ce n'est pas efficace sur le plan optique, car la lumière bloquée crée de la chaleur supplémentaire et des réflexions internes dans le système de projection. Cela limite l'utilisation de cette technologie pour des plages de profondeur plus élevées .

Photoneo a résolu ce problème avec un laser qui crée des motifs structurés. Les systèmes Photoneo offrent une plage de profondeur presque illimitée , et aussi la possibilité d'utiliser des filtres passe-bande étroits pour bloquer la lumière ambiante .

Pour une application en mouvement, une approche à image unique doit être utilisée . Une technique conventionnelle consiste à coder les caractéristiques distinctives des systèmes multi-images en un seul motif structuré, avec un fort impact sur la résolution XY et Z. Semblables aux systèmes ToF, il existe des produits grand public disponibles dans cette catégorie.

Lumière Structurée Parallèle

Il n'y a qu'une seule méthode capable de surmonter les limites de la numérisation de scènes en mouvement .

La nouvelle technologie brevetée nommée Lumière Structurée Parallèle a été développé par Photoneo et permet la capture d'objets en mouvement en haute qualité . La méthode utilise une lumière structurée en combinaison avec un capteur d'image CMOS à obturateur mosaïque propriétaire.

Alors que la méthode de lumière structurée capture séquentiellement les motifs codés par le projecteur, la technologie de lumière structurée parallèle capture plusieurs images de lumière structurée en parallèle - c'est le changement de jeu facteur. Étant donné que l'acquisition d'images d'une surface 3D nécessite plusieurs images, la sortie du balayage d'un objet en mouvement avec la méthode de la lumière structurée serait déformée. La technologie Parallel Structured Light capture une scène dynamique en reconstruisant son image 3D à partir d'une seule prise de vue du capteur .

Le capteur spécial se compose de blocs de super-pixels qui sont ensuite divisés en sous-pixels. Le laser provenant d'un projecteur à lumière structurée est allumé en permanence, tandis que les expositions des pixels individuels sont activées et désactivées de manière codée. De cette façon, il y a une projection et une image capturée - mais cette image contient plusieurs sous-images, chacune virtuellement éclairée par un motif lumineux différent.

Le résultat est très similaire à celui de plusieurs images dans le temps, à la différence que cette nouvelle méthode les acquiert simultanément =c'est pourquoi "Parallel Structured Light". Un autre avantage de cette technique est la possibilité de basculer le capteur en mode séquentiel et d'obtenir une résolution complète de 2MP avec une qualité de qualité métrologique.

La technologie Parallel Structured Light offre ainsi la haute résolution de systèmes d'éclairage structuré à plusieurs images et acquisition rapide d'une image des systèmes ToF.

Photoneo a implémenté cette technologie dans sa caméra 3D MotionCam-3D , développant ainsi la caméra 3D à balayage matriciel de la plus haute résolution et de la plus grande précision, capable de capturer des objets en mouvement .

Conclusion

Cet article a présenté une pluralité de méthodes de vision 3D et a expliqué leurs avantages spécifiques et leurs points faibles. La plupart des méthodes 3D de pointe font un compromis entre qualité et rapidité, soit en raison d'un processus d'acquisition exigeant, soit d'un traitement complexe des données. La seule technologie qui offre à la fois qualité et vitesse est la lumière structurée parallèle basée sur le capteur CMOS original de Photoneo. Cette nouvelle méthode élargit la gamme d'applications possibles et permet une automatisation là où cela n'était pas possible auparavant.