Obrazowanie zakresu - Range imaging

Nie należy mylić z obrazowaniem o wysokim zakresie dynamiki .

Obrazowanie odległości to nazwa zbioru technik, które są używane do tworzenia obrazu 2D pokazującego odległość do punktów w scenie od określonego punktu, zwykle skojarzonego z pewnym typem czujnika.

Wynikowy obraz, obraz zakresu , ma wartości w pikselach, które odpowiadają odległości. Jeśli czujnik używany do tworzenia obrazu zakresu jest odpowiednio skalibrowany, wartości pikseli można podać bezpośrednio w jednostkach fizycznych, takich jak metry.

Różne typy kamer

Urządzenie czujnikowe używane do tworzenia obrazu odległości jest czasami nazywane kamerą odległościową . Kamery dalmierzy mogą działać według wielu różnych technik, z których niektóre zostały tutaj przedstawione.

Triangulacja stereo

Triangulacja stereofoniczna to aplikacja stereofotogrametrii, w której dane dotyczące głębi pikseli są określane na podstawie danych uzyskanych przy użyciu systemu konfiguracji stereo lub wielu kamer . W ten sposób można określić głębokość punktów w scenie, na przykład od środka linii między ich ogniskowymi. Aby rozwiązać problem pomiaru głębokości za pomocą systemu kamer stereoskopowych, konieczne jest najpierw znalezienie odpowiednich punktów na różnych obrazach. Rozwiązanie problemu korespondencji jest jednym z głównych problemów przy stosowaniu tego typu techniki. Na przykład, trudno jest rozwiązać problem zgodności dla punktów obrazu, które znajdują się w obszarach o jednorodnej intensywności lub kolorze. W konsekwencji obrazowanie zakresu oparte na triangulacji stereo może zwykle dawać wiarygodne oszacowania głębi tylko dla podzbioru wszystkich punktów widocznych w wielu kamerach.

Zaletą tej techniki jest to, że pomiar jest mniej lub bardziej pasywny; nie wymaga specjalnych warunków w zakresie oświetlenia sceny. Inne wspomniane tutaj techniki nie muszą rozwiązywać problemu korespondencji, ale zamiast tego są zależne od określonych warunków oświetlenia sceny.

Arkusz triangulacji światła

Jeśli scena jest oświetlona taflą światła, tworzy to odbitą linię widzianą ze źródła światła. Z dowolnego punktu poza płaszczyzną arkusza linia będzie zwykle wyglądać jak krzywa, której dokładny kształt zależy zarówno od odległości między obserwatorem a źródłem światła, jak i odległości między źródłem światła a odbitymi punktami. Obserwując odbitą warstwę światła za pomocą kamery (często kamery o wysokiej rozdzielczości) oraz znając pozycje i orientacje zarówno kamery, jak i źródła światła, można określić odległości między odbitymi punktami a źródłem światła lub kamerą.

Przesuwając źródło światła (i zwykle także kamerę) lub scenę przed kamerą, można wygenerować sekwencję profili głębi sceny. Można je przedstawić jako obraz zakresu 2D.

Światło strukturalne

Główny artykuł: Strukturalny lekki skaner 3D

Oświetlając scenę specjalnie zaprojektowanym wzorem światła , światłem strukturalnym , można określić głębię za pomocą tylko jednego obrazu odbitego światła. Strukturalne światło może mieć postać poziomych i pionowych linii, punktów lub wzorów szachownicy. Światło scena jest w zasadzie ogólna struktura urządzenie obrazujące zakres światła pierwotnie stworzony do pracy z wychwytywania odbicia .

Czas lotu

Główny artykuł: Kamera czasu przelotu

Głębokość można również zmierzyć przy użyciu standardowej techniki czasu przelotu (ToF), mniej więcej jak w przypadku radaru , w którym uzyskuje się obraz zasięgu podobny do obrazu radarowego, z wyjątkiem tego, że zamiast sygnału RF używany jest impuls świetlny. puls. Nie jest to również w odróżnieniu od LIDAR wyjątkiem, że ToF jest scannerless, czyli całą sceny za pomocą jednego impulsu światła, w przeciwieństwie do punkt po punkcie z obrotową wiązką laserową. Kamery czasu przelotu to stosunkowo nowe urządzenia, które rejestrują całą scenę w trzech wymiarach za pomocą dedykowanego czujnika obrazu, a zatem nie wymagają ruchomych części. Laserowy radar pomiaru czasu przelotu z szybko bramkowaną kamerą CCD ze wzmocnionym bramkowaniem osiąga rozdzielczość poniżej milimetra. Dzięki tej technice krótki impuls laserowy oświetla scenę, a wzmocniona kamera CCD otwiera migawkę o dużej szybkości tylko na kilkaset pikosekund . Informacje 3D są obliczane na podstawie serii obrazów 2D, które zostały zebrane wraz ze wzrostem opóźnienia między impulsem lasera a otwarciem migawki.

Interferometria

Oświetlając punkty światłem spójnym i mierząc przesunięcie fazowe światła odbitego względem źródła światła, można określić głębokość. Przy założeniu, że obraz rzeczywistego zakresu jest mniej lub bardziej ciągłą funkcją współrzędnych obrazu, prawidłową głębię można uzyskać za pomocą techniki zwanej rozwijaniem fazy. Zobacz naziemną interferometrię SAR .

Kodowana przysłona

Dalsze informacje: Kodowana przysłona

Informacje o głębi mogą być częściowo lub całkowicie wywnioskowane wraz z intensywnością poprzez odwrotny splot obrazu uchwyconego za pomocą specjalnie zaprojektowanego zakodowanego wzoru apertury z określonym złożonym układem otworów, przez które wpuszczane jest lub blokowane światło. Złożony kształt przysłony powoduje nierównomierne rozmycie obrazu w tych częściach sceny, które nie znajdują się w płaszczyźnie ogniskowej obiektywu. Stopień rozmycia na scenie, który jest związany z przesunięciem od płaszczyzny ogniskowej, może być użyty do określenia głębi.

W celu określenia rozmiaru rozmycia (potrzebnego do zdekodowania informacji o głębi) na przechwyconym obrazie można zastosować dwa podejścia: 1) usuwanie rozmycia obrazu z różnymi rozmazaniami lub 2) uczenie się filtrów liniowych identyfikujących rodzaj rozmycia .

Pierwsze podejście wykorzystuje prawidłową dekonwolucję matematyczną, która bierze pod uwagę znany wzorzec projektowania apertury; ta dekonwolucja może określić, gdzie i w jakim stopniu scena została zagmatwana przez nieostre światło padające selektywnie na powierzchnię przechwytywania i odwrócić ten proces. W ten sposób można odzyskać scenę bez rozmycia wraz z rozmiarem rozmycia.

Zamiast tego, drugie podejście pozwala wydobyć zakres rozmycia, omijając przywrócenie obrazu bez rozmycia, a zatem bez wykonywania odwrotnego splotu. Wykorzystując technikę opartą na analizie głównych składowych (PCA), metoda uczy się off-line banku filtrów, które jednoznacznie identyfikują każdy rozmiar rozmycia; filtry te są następnie stosowane bezpośrednio do przechwyconego obrazu, jak zwykły splot. Główną zaletą tego podejścia jest to, że nie są wymagane żadne informacje o kodowanym wzorze apertury. Ze względu na swoją efektywność algorytm ten został również rozszerzony na sekwencje wideo z ruchomymi i odkształcalnymi obiektami.

Ponieważ głębokość punktu jest wywnioskowana na podstawie jego rozmycia spowodowanego przez światło rozprzestrzeniające się z odpowiedniego punktu w scenie docierające po całej powierzchni apertury i zniekształcające zgodnie z tym rozrzutem, jest to złożona forma triangulacji stereo. Każdy punkt obrazu jest efektywnie próbkowany przestrzennie na całej szerokości apertury.

Technologia ta jest ostatnio stosowany w iPhone X . Wiele innych telefonów firmy Samsung i komputerów firmy Microsoft próbowało korzystać z tej technologii, ale nie używają mapowania 3D.

Zobacz też

Bibliografia