وقت تصميم نظام الطيران

المُقدّمة

تتطلب العديد من تطبيقات رؤية الماكينة الآن صورًا عالية الدقة بعمق ثلاثي الأبعاد لاستبدال أو زيادة التصوير ثنائي الأبعاد القياسي. تعتمد هذه الحلول على الكاميرا ثلاثية الأبعاد لتوفير معلومات عمق موثوقة لضمان السلامة ، خاصةً عندما تعمل الآلات على مقربة من البشر. تحتاج الكاميرات أيضًا إلى توفير معلومات عمق موثوقة أثناء العمل في بيئات صعبة ، مثل المساحات الكبيرة ذات الأسطح العاكسة للغاية وفي وجود كائنات متحركة أخرى. استخدمت العديد من المنتجات حتى الآن حلولاً من نوع محدد النطاق منخفض الدقة لتوفير معلومات متعمقة لزيادة التصوير ثنائي الأبعاد. ومع ذلك ، فإن هذا النهج له العديد من القيود. بالنسبة للتطبيقات التي تستفيد من معلومات العمق ثلاثية الأبعاد عالية الدقة ، توفر كاميرات CW CMOS ToF أعلى حلول الأداء في السوق. تم تمكين بعض ميزات النظام بواسطة CW ToF عالي الدقة مدخل بطاقة الذاكرة : نعم التكنلوجيا تم توضيح ميزات النظام هذه بمزيد من التفصيل في الجدول 1. وتُترجم ميزات النظام هذه أيضًا إلى حالات استخدام المستهلك مثل بوكيه الفيديو ومصادقة الوجه وتطبيقات القياس، بالإضافة إلى حالات استخدام السيارات مثل مراقبة تنبيه السائق والتكوين الآلي داخل المقصورة.

الجدول 1. زمن الموجة المستمر لميزات نظام الطيران

نظرة عامة على كاميرا موجة CMOS المستمرة لوقت الطيران

كاميرا العمق هي كاميرا يُخرج فيها كل بكسل المسافة بين الكاميرا والمشهد. تتمثل إحدى تقنيات قياس العمق في حساب الوقت الذي يستغرقه الضوء للانتقال من مصدر الضوء على الكاميرا إلى سطح عاكس والعودة إلى الكاميرا. يشار إلى وقت السفر هذا عادةً باسم وقت الرحلة (ToF).

تتكون كاميرا ToF من عدة عناصر (انظر الشكل 1) بما في ذلك:

مصدر ضوء - مثل الليزر الباعث للسطح ذو التجويف العمودي (VCSEL) أو الصمام الثنائي الليزري الباعث للحافة - الذي ينبعث الضوء في مجال الأشعة تحت الحمراء القريبة. الأطوال الموجية الأكثر استخدامًا هي 850 نانومتر و 940 نانومتر. عادةً ما يكون مصدر الضوء مصدرًا منتشرًا (إضاءة الفيضانات) التي تنبعث منها شعاع من الضوء مع اختلاف معين (يُعرف أيضًا باسم مجال الإضاءة أو FOI) لإضاءة المشهد أمام الكاميرا.

•  محرك ليزر يعدل شدة الضوء المنبعث من مصدر الضوء.
•  جهاز استشعار بمصفوفة بكسل يجمع الضوء العائد من المشهد ويخرج قيمًا لكل بكسل.
•  عدسة تركز الضوء العائد على مجموعة المستشعرات.
•  مرشح تمرير النطاق متزامن مع العدسة الذي يقوم بتصفية الضوء خارج نطاق ترددي ضيق حول الطول الموجي لمصدر الضوء.
•  هي خوارزمية معالجة تقوم بتحويل الإطارات الخام الناتجة من المستشعر إلى صور عمق أو غيوم نقطية.

يمكن للمرء استخدام طرق متعددة لتعديل الضوء في كاميرا ToF. تتمثل الطريقة البسيطة في استخدام تعديل موجة مستمر - على سبيل المثال ، تعديل موجة مربعة مع دورة عمل بنسبة 50٪. من الناحية العملية ، نادرًا ما يكون شكل موجة الليزر عبارة عن موجة مربعة كاملة وقد تبدو أقرب إلى موجة جيبية. ينتج عن شكل موجة ليزر مربع أفضل نسبة إشارة إلى ضوضاء لقدرة بصرية معينة ، ولكنه يقدم أيضًا أخطاء غير خطية للعمق بسبب وجود التوافقيات عالية التردد.

تقيس كاميرا CW ToF فارق التوقيت t_d بين الإشارة المنبعثة وإشارة العودة بتقدير تخالف المرحلة ϕ = 2πft_d بين أساسيات هاتين الإشارتين. يمكن تقدير العمق من إزاحة الطور (ϕ) وسرعة الضوء (ج) باستخدام:

أين و_{وزارة الدفاع} هو تردد التعديل.

جيل على مدار الساعة الدارة الكهربائية يتحكم المستشعر في ساعات البكسل التكميلية التي تتحكم على التوالي في تراكم شحنات الصور في عنصري تخزين الشحن (Tap A و Tap B) ، بالإضافة إلى إشارة تعديل الليزر إلى

سائق الليزر. يمكن قياس مرحلة عودة الضوء المعدل بالنسبة إلى مرحلة ساعات البكسل (انظر الجانب الأيمن من الشكل 1). التفاضل بين الضوء المعدل العائد ومرحلة الضوء المعدل العائد بالنسبة لساعة البكسل.

باستخدام مبادئ الكشف عن التجانس ، يتم إجراء قياس بمراحل نسبية متعددة بين ساعة البكسل وإشارة تعديل الليزر. يتم الجمع بين هذه القياسات لتحديد المرحلة الأساسية في إشارة الضوء المعدلة العائدة. تتيح معرفة هذه المرحلة حساب الوقت الذي يستغرقه الضوء للانتقال من مصدر الضوء إلى الكائن الذي يتم ملاحظته والعودة إلى بكسل المستشعر.

مزايا ترددات التعديل العالية

من الناحية العملية ، هناك أشياء غير واقعية مثل ضوضاء طلقات الفوتون ، وضوضاء دائرة القراءة ، والتداخل متعدد المسارات الذي يمكن أن يسبب أخطاء في قياس الطور. إن وجود تردد تعديل عالٍ يقلل من تأثير تلك الأخطاء على تقدير العمق.

يسهل فهم ذلك من خلال أخذ مثال بسيط حيث يوجد خطأ في المرحلة ϵ_ϕ- أي أن المرحلة التي يقاسها المستشعر هي ϕ̂ = ϕ +_ϕ. إذن ، خطأ العمق هو:

لذلك ، يتناسب خطأ العمق عكسياً مع تردد التشكيل f_{وزارة الدفاع}. هذا موضح بيانيا في الشكل 2.

تشرح هذه الصيغة البسيطة إلى حد كبير سبب كون كاميرات ToF ذات تردد التعديل العالي بها ضوضاء أقل للعمق وأخطاء عمق أصغر من كاميرات ToF ذات تردد تعديل أقل.

أحد عيوب استخدام تردد تعديل مرتفع هو أن المرحلة تلتف بشكل أسرع ، مما يعني أن النطاق الذي يمكن قياسه بشكل لا لبس فيه يكون أقصر. الطريقة الشائعة للتغلب على هذا القيد هي استخدام ترددات تعديل متعددة تلتف حولها بمعدلات مختلفة. يوفر تردد التعديل الأدنى نطاقًا كبيرًا بدون غموض ولكن أخطاء أكبر في العمق (ضوضاء ، تداخل متعدد المسارات ، إلخ) ، بينما تُستخدم ترددات تعديل أعلى جنبًا إلى جنب لتقليل أخطاء العمق. ويرد مثال على هذا المخطط بثلاثة ترددات تشكيل مختلفة في الشكل 3. ويحسب تقدير العمق النهائي عن طريق ترجيح تقديرات الطور غير المغلف لترددات التشكيل المختلفة ، مع تخصيص أوزان أعلى لترددات التشكيل الأعلى.

إذا تم اختيار أوزان كل تردد على النحو الأمثل ، فإن ضوضاء العمق تتناسب عكسياً مع جذر متوسط ​​التربيع (rms) لترددات التعديل المختارة في النظام. للحصول على ميزانية ضوضاء ثابتة للعمق ، فإن زيادة ترددات التعديل تتيح تقليل وقت التكامل أو قوة الإضاءة.

جوانب النظام الأخرى الحاسمة للأداء

هناك العديد من ميزات النظام التي يجب مراعاتها عند تطوير كاميرا ToF عالية الأداء ، والتي تمت تغطية بعضها بإيجاز هنا.

صورة الاستشعار

يعد مستشعر الصورة مكونًا رئيسيًا في كاميرا ToF. يتم تقليل تأثيرات معظم غير الواقعية في تقدير العمق (على سبيل المثال ، التحيز ، وضوضاء العمق ، والتأثيرات متعددة المسارات) عندما يزداد متوسط ​​تردد التعديل في النظام. لذلك من المهم أن يحتوي المستشعر على تباين كبير في إزالة التشكيل (القدرة على فصل الإلكترونات الضوئية بين النقر A و Tap B) على درجة عالية

تردد التشكيل (مئات ميغا هرتز). يحتاج المستشعر أيضًا إلى كفاءة كمية عالية (QE) في الأطوال الموجية القريبة من الأشعة تحت الحمراء (على سبيل المثال ، 850 نانومتر و 940 نانومتر) ، بحيث تكون هناك حاجة إلى طاقة بصرية أقل لتوليد الإلكترونات الضوئية في البكسل. أخيرًا ، تساعد ضوضاء القراءة المنخفضة في النطاق الديناميكي للكاميرا من خلال السماح باكتشاف إشارات العودة المنخفضة (كائنات الانعكاس البعيدة أو المنخفضة).

إضاءة

يعدل مشغل الليزر مصدر الضوء (على سبيل المثال ، VCSEL) بتردد تعديل عالٍ. من أجل تعظيم كمية الإشارة المفيدة عند البكسل لقوة بصرية معينة ، يحتاج الشكل الموجي البصري إلى أوقات صعود وهبوط سريعة مع حواف نظيفة. يعد الجمع بين الليزر ومحرك الليزر وتخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور في النظام الفرعي للإضاءة أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق ذلك. هناك أيضًا بعض التوصيفات المطلوبة لإيجاد القدرة البصرية المثلى وإعدادات دورة العمل لتعظيم اتساع الأساسي في تحويل فورييه لشكل موجة التعديل. أخيرًا ، يجب أيضًا توصيل الطاقة الضوئية بطريقة آمنة مع وجود بعض آليات السلامة المضمنة في برنامج تشغيل الليزر ومستوى النظام لضمان احترام حدود سلامة العين من الفئة 1 في جميع الأوقات.

بصريات

تلعب البصريات دورًا رئيسيًا في كاميرات ToF. تتميز كاميرات ToF ببعض الخصائص المميزة التي تدفع متطلبات البصريات الخاصة. أولاً ، يجب أن يتطابق مجال إضاءة مصدر الضوء مع مجال رؤية العدسة لتحقيق الكفاءة المثلى. من المهم أيضًا أن تحتوي العدسة نفسها على فتحة عدسة عالية (منخفضة f / #) لتحسين كفاءة جمع الضوء. يمكن أن تؤدي الفتحات الكبيرة إلى مفاضلات أخرى حول التظليل وعمق المجال الضحل وتعقيد تصميم العدسة. يمكن أن يساعد تصميم العدسة ذات الزاوية الشعاعية المنخفضة أيضًا في تقليل عرض النطاق الترددي لمرشح تمرير النطاق ، مما يحسن رفض الضوء المحيط وبالتالي يحسن الأداء في الهواء الطلق. يجب أيضًا تحسين النظام الفرعي البصري للطول الموجي المطلوب للعملية (على سبيل المثال ، الطلاءات المضادة للانعكاس ، وتصميم مرشح تمرير النطاق ، وتصميم العدسة) لزيادة كفاءة الإنتاجية وتقليل الضوء الشارد. هناك أيضًا العديد من المتطلبات الميكانيكية لضمان أن المحاذاة الضوئية ضمن التفاوتات المطلوبة للتطبيق النهائي.

إدارة الطاقة

تعد إدارة الطاقة أيضًا أمرًا بالغ الأهمية في كاميرا ToF ثلاثية الأبعاد عالية الأداء وحدة تصميم. يعمل تعديل الليزر وتعديل البكسل على توليد رشقات نارية قصيرة من تيارات الذروة العالية، مما يضع بعض القيود على حل إدارة الطاقة. هناك بعض الميزات على مستوى الدائرة المتكاملة للمستشعر (IC) التي يمكن أن تساعد في تقليل استهلاك الطاقة الأقصى لجهاز التصوير. هناك أيضًا تقنيات لإدارة الطاقة يمكن تطبيقها على مستوى النظام للمساعدة في تخفيف المتطلبات على مصدر الطاقة (على سبيل المثال، البطارية أو USB). تتطلب الإمدادات التناظرية الرئيسية لجهاز تصوير ToF عادةً منظم مع استجابة عابرة جيدة وانخفاض مستوى الضجيج.

خوارزمية معالجة العمق

أخيرًا ، جزء كبير آخر من التصميم على مستوى النظام هو خوارزمية معالجة العمق. يقوم مستشعر الصورة ToF بإخراج بيانات البكسل الأولية التي يجب استخراج معلومات المرحلة منها. تتطلب هذه العملية خطوات مختلفة تشمل ترشيح الضوضاء وإلغاء تغليف الطور. ناتج كتلة فك الطور هو قياس المسافة التي يقطعها الضوء من الليزر ، إلى المشهد ، والعودة إلى البكسل ، وغالبًا ما يطلق عليها النطاق أو المسافة الشعاعية.

يتم تحويل المسافة الشعاعية عمومًا إلى معلومات سحابة نقطية ، والتي تمثل المعلومات لبكسل معين بواسطة إحداثيات العالم الحقيقي (X ، Y ، Z). في كثير من الأحيان ، تستخدم التطبيقات النهائية فقط خريطة صورة Z (خريطة العمق) بدلاً من سحابة النقطة الكاملة. يتطلب تحويل المسافة الشعاعية إلى سحابة نقطية معرفة جوهر العدسة ومعلمات التشويه. يتم تقدير هذه المعلمات أثناء المعايرة الهندسية لوحدة الكاميرا. يمكن لخوارزمية معالجة العمق أيضًا إخراج معلومات أخرى مثل صور السطوع النشط (سعة إشارة الليزر المرتدة) ، وصور الأشعة تحت الحمراء ثنائية الأبعاد السلبية ، ومستويات الثقة ، والتي يمكن استخدامها جميعًا في التطبيقات النهائية. يمكن إجراء معالجة العمق على وحدة الكاميرا نفسها أو في معالج مضيف في مكان آخر في النظام.

ويرد في الجدول 2. نظرة عامة على المكونات المختلفة على مستوى النظام التي تغطيها هذه المقالة. وسيتم تناول هذه الموضوعات بمزيد من التفصيل في المقالات المستقبلية.

الجدول 2. مكونات على مستوى النظام لكاميرات وقت الطيران ثلاثية الأبعاد

وفي الختام

يعد وقت الموجة المستمر لكاميرات الطيران حلاً قويًا يوفر دقة عالية للعمق للتطبيقات التي تتطلب معلومات ثلاثية الأبعاد عالية الجودة. هناك العديد من العوامل التي يجب مراعاتها لضمان تحقيق أفضل مستوى من الأداء. عوامل مثل تردد التعديل وتباين الاستخلاص والكفاءة الكمية وضوضاء القراءة تملي الأداء على مستوى مستشعر الصورة. العوامل الأخرى هي اعتبارات مستوى النظام ، والتي تشمل النظام الفرعي للإضاءة والتصميم البصري وإدارة الطاقة وخوارزميات معالجة العمق. كل هذه المكونات على مستوى النظام ضرورية لتحقيق أعلى دقة 3D نظام كاميرا ToF. سيتم تناول هذه الموضوعات على مستوى النظام بمزيد من التفصيل في المقالات اللاحقة.