Structured Light: כיצד עובדת מצלמה תלת-מימדית?
30 מרץ, 2015
טכניקת ההדמייה התלת-מימדית הנפוצה ביותר נקראת "תבנית אור מובנה" (Coded Structured Light), ומתבססת על הקרנה של תבנית אור אחת או מספר תבניות אור על המשטח הנבדק
טכניקת ההדמייה התלת-מימדית הנפוצה ביותר נקראת "תבנית אור מובנה" (Coded Structured Light), ומתבססת על הקרנה של תבנית אור אחת או מספר תבניות אור על המשטח הנבדק
מאת: אדי סגל
שחזור והדמיה של משטח תלת מימדי הוא אחד מהתחומים החשובים והעדכניים ביותר בתחום הראייה ממוחשבת. החשיבות הגדולה של תחום זה נובעת מהשימוש הנפוץ בהדמיה של משטחים תלת-מימדיים במגוון אפליקציות כמו ביקורת רכיבים בקווי ייצור, חישה מרחוק, זיהוי אובייקטים ואפילו הנדסה לאחור (Reverse Engineering).
טכניקת ההדמייה התלת-מימדית הנפוצה ביותר נקראת "תבנית אור מובנה" (Coded Structured Light), מכיוון שהיא נחשבת לאחת מהטכניקות האמינות ביותר להדמיית משטחים תלת-מימדיים. הטכניקה הזו מתבססת על הקרנה של תבנית אור אחת או מספר תבניות אור על המשטח הנבדק. המשטח שובר את תבנית האור בהתאם לצורה הגיאומטרית שלו ותבנית האור השבורה נקלטת בחיישן אופטי אחד או במספר חיישנים.
תבניות האור מתוכננות באופן מיוחד שבו כל קבוצה של פיקסלים מקבלת מילת קוד ייעודית, אשר מייצגת את המיקום המדוייק של הפיקסל על גבי המשטח התלת-מימדי.
מילות הקוד מורכבות ממספרים שעוברים מיפוי אל תוך תבנית האור על-ידי שימוש במאפיינים הגאומטריים של המשטח, בצבע המשטח או ברמות האפור שלו. גודל מילת הקוד תלוי במספר הנקודות שצריך לקודד, ככל שמספר הנקודות גדל, מילת הקוד גדלה וזה הופך את תהליך המיפוי למסובך יותר.
קיימות מספר טכניקות שונות להקרנת תבנית האור המובנה, כאשר השוני ביניהן מתבטא באופן הזיהוי של כל נקודה בתבנית האור, בסוג מילות הקוד, ובשיטות קידוד המשתמשות בציר אחד או שני צירים מרחביים. ניתן לחלק את הטכניקות לשלוש קבוצות עיקריות: Time Multiplexing, Neighborhood Codification ו-Direct Codification.
Time multiplexing:
טכניקות אלו הן הנפוצות והמדוייקות ביותר ומבוססות על קידוד תלוי זמן. מספר תבניות אור מוקרנות באופן רציף על המשטח התלת-מימדי. מילת הקוד לפיקסל מסויים נוצרת בעזרת עוצמות ההארה השונות על אותו פיקסל לאורך כל זמן ההקרנה. העובדה שמספר תבניות אור מוקרנות ברצף גורמת למילות הקוד להיות בדרך כלל בינאריות ולכן הן מסווגות לקבוצות קטנות יותר, דבר הגורם לזיהוי קל יותר של מילת הקוד.
היתרונות של טכניקות אלו זה היישום הקל, רזולוציה מרחבית גבוהה והדיוק הגבוה בהדמייה תלת-ממדית. החיסרון העיקרי הוא שטכניקות אלה לא מתאימות להדמיה של משטחים נעים בגלל שיש צורך לבצע הקרנה ברצף של מספר תבניות אור.
Spatial neighborhood codification:
טכניקות מהסוג הזה מאופיינות בתבנית אור ייחודית. מילת הקוד של נקודה מסויימת תלויה בנקודות האחרות שבסביבתה הקרובה. בשיטה תהליך הפיענוח הוא מסובך יותר מכיוון שלא תמיד אפשר לשחזר את הסביבה הקרובה של נקודה מסויימת, והדבר מייצר שגיאות בתהליך ההדמיה התלת-מימדית.
בדרך כלל, המאפיינים הוויזואליים שנלקחים בחשבון בסביבה הקרובה של הנקודה הם עוצמת ההארה, הצבע של הפיקסלים או של קבוצה של פיקסלים סמוכים הכוללים את הנקודה עצמה. היתרון של טכניקות אלו בהשוואה לטכניקות Time multiplexing הוא ביכולת לבצע הדמיה של משטחים נעים (במחיר של רזולוציה נמוכה יותר).
בנוסף, כדי לפענח באופן מדוייק את הסביבה הקרובה לנקודה מסויימת, יש צורך להניח את מידת ההחלקה המקומית של המשטח (local smoothness) ובגלל שלא תמיד הנחה זו נכונה, תהליך הפיענוח יכול לגרום לשגיאות בהדמיה. כדי להקטין שגיאות מהסוג הזה, האלגוריתמים של שלב הפיענוח חייבים להיות יותר חסינים לשגיאות.
Direct codification:
טכניקות הקרנה אלו מיועדות בדרך כלל לביצוע הדמיה תלת-מימדית של משטחים בעלי עם צבע חיוור או צבע נייטרלי. לכן יש צורך בתהליך מקדים לפני תחילת ההקרנה, אשר מזהה את כל ספקטרום הצבעים ומבצע כוונון (tuning) מקדים. לא תמיד קל לבצע את המהלך בפועל והוא תלוי בסוג המכשיר.
בטכניקות מהסוג הזה, משתמשים בפיקסל בודד על מנת להרכיב את מילת הקוד המייצגת אותו, כך שאוסף כל מילות הקוד הוא בעצם אוסף כל הצבעים במשטח. תיאורטית, שיטה זו אמורה לספק רזולוציה גבוהה בתלת-מימד, אבל בפועל נוצרת רגישות גבוהה לרעש בגלל שהמרחק בין מילות הקוד הוא כמעט אפסי. בנוסף, לזה כדי לקבל דיוק טוב יותר צריך להשתמש בתמונת ייחוס, ולכן טכניקות אלו לא מתאימות למצבים דינאמיים.
הכתבה מבוססת על המאמר: Pattern codification strategies in structured light system מאת: Joaquim Salvi, Jordi Pages ו-Joan Batlle מאוניברסיטת Girona, ספרד (אפריל 2004).
פורסם בקטגוריות: אלקטרואופטיקה , חדשות , מדע
כתבות נוספות העשויות לעניין אותך
