זמן תכנון מערכת טיסה

מבוא

יישומי ראיית מכונה רבים דורשים כעת תמונות עומק תלת ממדי ברזולוציה גבוהה כדי להחליף או להגדיל הדמיה דו ממדית רגילה. פתרונות אלה מסתמכים על מצלמת התלת מימד כדי לספק מידע עומק אמין על מנת להבטיח בטיחות, במיוחד כאשר מכונות פועלות בסמיכות לבני אדם. המצלמות צריכות לספק גם מידע עומק אמין בזמן הפעלה בסביבות מאתגרות, כמו בחללים גדולים עם משטחים רעיוניים מאוד ובנוכחות אובייקטים נעים אחרים. מוצרים רבים עד כה השתמשו בפתרונות נמוכים ברזולוציה נמוכה כדי לספק מידע עומק להגדלת הדמיה דו-ממדית. עם זאת, לגישה זו יש מגבלות רבות. עבור יישומים הנהנים ממידע עומק תלת-ממדי ברזולוציה גבוהה יותר, מצלמות CW CMOS ToF מספקות את הפתרונות הגבוהים ביותר בשוק. חלק מתכונות המערכת מופעלות באמצעות CW ToF ברזולוציה גבוהה חיישן טֶכנוֹלוֹגִיָה מתוארים ביתר פירוט בטבלה 1. תכונות מערכת אלו מתורגמות גם למקרי שימוש צרכני כגון וידאו בוקה, יישומי אימות פנים ומדידה, כמו גם מקרי שימוש ברכב כגון ניטור ערנות נהג ותצורה אוטומטית בתא הנוסעים.

טבלה 1. זמן גל רציף של תכונות מערכת טיסה

סקירה כללית של זמן המצלמה של CMOS על גל מתמשך

מצלמת עומק היא מצלמה בה כל פיקסל מוציא את המרחק בין המצלמה לסצנה. אחת הטכניקות למדידת עומק היא חישוב הזמן שלוקח לאור לעבור ממקור אור במצלמה למשטח מחזיר ובחזרה למצלמה. זמן נסיעה זה מכונה בדרך כלל זמן הטיסה (ToF).

מצלמת ToF מורכבת ממספר אלמנטים (ראה איור 1) כולל:

מקור אור - כגון לייזר הפולט משטח אנכי (VCSEL) או דיודת לייזר פולטת קצה - הפולט אור בתחום האינפרא אדום הקרוב. אורכי הגל הנפוצים ביותר הם 850 ננומטר ו 940 ננומטר. מקור האור הוא בדרך כלל מקור מפוזר (תאורת שיטפון) הפולט אלומת אור עם סטייה מסוימת (aka, שדה תאורה או FOI) כדי להאיר את הסצנה מול המצלמה.

•  מניע לייזר שמווסת את עוצמת האור הנפלט ממקור האור.
•  חיישן עם מערך פיקסלים שאוסף את האור החוזר מהסצנה ומפיק ערכים עבור כל פיקסל.
•  עדשה הממקדת את האור החוזר במערך החיישנים.
•  מסנן מעבר פס ממוקם במשותף עם העדשה המסנן אור מחוץ לרוחב פס צר סביב אורך הגל של מקור האור.
•  הוא אלגוריתם עיבוד הממיר מסגרות גלם פלט מהחיישן לתמונות עומק או ענני נקודה.

אפשר להשתמש במספר גישות כדי לווסת את האור במצלמת ToF. גישה פשוטה היא להשתמש באפנון גל רציף - למשל, אפנון גל מרובע עם מחזור חובה של 50%. בפועל, צורת גל הלייזר לעיתים נדירות היא גל מרובע מושלם ועשוי להיראות קרוב יותר לגל סינוס. צורת גל לייזר מרובעת מניבה יחס אות ורעש טוב יותר עבור הספק אופטי נתון, אך מכניסה גם שגיאות עומק לא ליניאריות עקב נוכחות של הרמוניות בתדירות גבוהה.

מצלמת CW ToF מודדת את הפרש הזמן t_d בין האות הנפלט לאות ההחזרה על ידי אומדן קיזוז הפאזה ϕ = 2πft_d בין היסודות של שני האותות הללו. ניתן לאמוד את העומק מקיזוז הפאזה (ϕ) ומהירות האור (c) באמצעות:

איפה f_mod הוא תדר האפנון.

דור שעון מעגל בחיישן שולט בשעוני הפיקסל המשלימים השולטים בהתאמה על הצטברות מטעני הצילום בשני אלמנטים האחסון המטען (Tap A ו- Tap B), כמו גם אות אפנון הלייזר ל

דרייבר לייזר. ניתן למדוד את שלב האור המאופנן החוזר ביחס לשלב שעוני הפיקסלים (ראה צד ימין של איור 1). ההפרש בין האור המאופנן החוזר לשלב האור המאופנן החוזר ביחס לשעון הפיקסלים.

באמצעות עקרונות של זיהוי הומודין, מדידה נעשית עם מספר שלבים יחסית בין שעון פיקסל לאות אפנון לייזר. מדידות אלה משולבות כדי לקבוע את שלב היסוד באות האור המאופנן החוזר. ידיעת שלב זה מאפשרת חישוב של משך הזמן שלוקח לאור לעבור ממקור האור לאובייקט הנצפה ובחזרה לפיקסל החיישן.

היתרונות של תדרי אפנון גבוהים

בפועל, ישנם אי-אידיאלים כגון רעש פוטון, רעש מעגל קריאה והפרעות רב-כיווניות העלולים לגרום לשגיאות במדידת הפאזה. בעל תדר אפנון גבוה מפחית את ההשפעה של שגיאות אלה על אומדן העומק.

קל להבין זאת על ידי לקיחת דוגמה פשוטה שבה יש שגיאת פאזה ϵ_ϕכלומר, השלב שנמדד על ידי החיישן הוא ϕ̂ = ϕ + ϵ_ϕ. שגיאת העומק היא אז:

לכן, שגיאת העומק פרופורציונאלית הפוכה לתדר האפנון, f_mod. זה מתואר בצורה גרפית באיור 2.

נוסחה פשוטה זו מסבירה במידה רבה מדוע למצלמות ToF בעלות תדירות אפנון גבוהה יש רעשי עומק נמוכים יותר ושגיאות עומק קטנות יותר מאשר מצלמות ToF בעלות תדר אפנון נמוך יותר.

חסרון אחד בשימוש בתדר אפנון גבוה הוא שהשלב עוטף מהר יותר, כלומר הטווח שניתן למדוד באופן חד משמעי הוא קצר יותר. הדרך הנפוצה לעקוף מגבלה זו היא להשתמש בתדרי אפנון מרובים המתעטפים בקצב שונה. תדר האפנון הנמוך ביותר מספק טווח גדול ללא עמימות אך שגיאות עומק גדולות יותר (רעש, הפרעות מרובות נתיבים וכו '), בעוד שתדרי אפנון גבוהים יותר משמשים במקביל להפחתת שגיאות עומק. דוגמה לתכנית זו עם שלושה תדרים שונים של אפנון מוצגת באיור 3. אומדן העומק הסופי מחושב על ידי שקלול אומדני הפאזה הלא עטופים עבור תדרי האפנון השונים, כאשר משקלים גבוהים יותר מוקצים לתדרי האפנון הגבוהים יותר.

אם המשקולות עבור כל תדר נבחרים בצורה אופטימלית, רעש העומק הוא ביחס הפוך לריבוע הממוצע הבסיסי (rms) של תדרי האפנון שנבחרו במערכת. עבור תקציב רעש עומק קבוע, הגדלת תדרי האפנון מאפשרת להקטין את זמן האינטגרציה או את עוצמת התאורה.

היבטים אחרים של המערכת הקריטיים לביצועים

ישנם מספר תכונות מערכת שיש לקחת בחשבון בעת ​​פיתוח מצלמת ToF ביצועים גבוהה, שחלקן מכוסות כאן בקצרה.

חיישן תמונה

חיישן התמונה הוא מרכיב מרכזי במצלמת ToF. ההשפעות של אי-אידיאליויות של אומדן העומק ביותר (למשל הטיה, רעש עומק וממצאים מרובי נתיבים) מצטמצמות כאשר תדירות האפנון הממוצעת של המערכת עולה. לכן חשוב שהחיישן יהיה בעל ניגודיות גבוהה של הדמולציה (יכולת להפריד בין פוטו אלקטרונים בין ברז A לברז B) בגובה גבוה

תדר אפנון (מאות מגה-הרץ). החיישן צריך להיות בעל יעילות קוונטית גבוהה (QE) גם באורכי הגל האינפרא-אדומים (למשל, 850 ננומטר ו -940 ננומטר), כך שיש צורך בפחות כוח אופטי ליצירת פוטו-אלקטרונים בפיקסל. לבסוף, רעש קריאה נמוך מסייע לטווח הדינמי של המצלמה בכך שהוא מאפשר לזיהוי אותות החזרה נמוכים (אובייקטים בעלי רפלקטיביות רחוקה או נמוכה).

תְאוּרָה

מנהל ההתקן בלייזר מווסת את מקור האור (למשל, VCSEL) בתדר אפנון גבוה. על מנת למקסם את כמות האות השימושי בפיקסל עבור עוצמה אופטית נתונה, צורת הגל האופטית צריכה להיות בזמני עלייה וירידה מהירים עם קצוות נקיים. השילוב של לייזר, מנהל התקן לייזר ופריסת PCB במערכת המשנה תאורה הם קריטיים בכדי להשיג זאת. יש גם אפיון נדרש למציאת הגדרות הספק האופטי האופטימלי ומחזור החובה כדי למקסם את המשרעת של היסוד בתמורת פורייה של צורת הגל האפנון. לבסוף, יש לספק את הכוח האופטי גם בצורה בטוחה עם כמה מנגנוני בטיחות המובנים ברמת מנהל הלייזר וברמת המערכת כדי להבטיח שמכבידים את מגבלות הבטיחות בעין Class 1 בכל עת.

אופטיקה

אופטיקה משחקת תפקיד מפתח במצלמות ToF. למצלמות ToF יש מאפיינים ברורים מסוימים המניעים דרישות אופטיקה מיוחדות. ראשית, שדה התאורה של מקור האור צריך להתאים לשדה הראייה של העדשה ליעילות מיטבית. חשוב גם שהעדשה עצמה תהיה עם צמצם גבוה (f / # נמוך) כדי להשיג יעילות טובה יותר של איסוף האור. צמצמים גדולים יכולים להוביל לפשרות אחרות סביב תמרור, עומק שדה רדוד ומורכבות עיצוב העדשות. תכנון עדשות זווית ראיה נמוכות של ראיה יכול גם לסייע בהפחתת רוחב הפס של מסנן הפס, מה שמשפר את דחיית האור הסביבתי ומשפר את ביצועי החוץ. יש למטב את תת-המערכת האופטית גם לאורכי הגל המבוקשים (למשל, ציפויים אנטי-רפלקטיביים, תכנון מסנן פס-פס, עיצוב עדשות) כדי למקסם את יעילות התפוקה ולמזער אור תועה. ישנן גם דרישות מכניות רבות כדי להבטיח כי יישור אופטי נמצא בסבילות הרצויות ליישום הסופי.

ניהול צריכת חשמל

ניהול צריכת החשמל הוא גם חשוב ביותר במצלמת 3D ToF בעלת ביצועים גבוהים מודול לְעַצֵב. אפנון הלייזר ואפנון הפיקסלים מייצרים פרצים קצרים של זרמי שיא גבוהים, מה שמציב כמה מגבלות על פתרון ניהול החשמל. ישנן כמה תכונות ברמת המעגל המשולב של החיישן (IC) שיכולות לעזור להפחית את שיא צריכת החשמל של מצלמת ההדמיה. ישנן גם טכניקות לניהול צריכת חשמל שניתן ליישם ברמת המערכת כדי להקל על הדרישות על מקור החשמל (לדוגמה, סוללה או USB). האספקה ​​האנלוגית העיקרית עבור מצלמת ToF דורשת בדרך כלל א וסת עם תגובת חולפת טובה ורעש נמוך.

אלגוריתם עיבוד עומק

לבסוף, חלק גדול נוסף בתכנון ברמת המערכת הוא האלגוריתם לעיבוד עומק. חיישן התמונה של ToF מפיק נתוני פיקסלים גולמיים שמהם צריך לחלץ את מידע השלב. פעולה זו דורשת שלבים שונים הכוללים סינון רעשים ופריקת פאזה. הפלט של בלוק פריקת הפאזה הוא מדידה של המרחק שעבר האור מהלייזר, למקום ובחזרה לפיקסל, המכונה לעתים קרובות טווח או מרחק רדיאלי.

המרחק הרדיאלי מומר בדרך כלל למידע בענן נקודתי, המייצג את המידע לפיקסל מסוים על ידי הקואורדינטות בעולם האמיתי (X, Y, Z). לעתים קרובות, יישומי קצה משתמשים רק במפת התמונות Z (מפת עומק) במקום בענן הנקודה המלאה. המרת מרחק רדיאלי לענן נקודה מחייבת הכרת הפרמטרים הפנימיים של העדשה ועיוות. פרמטרים אלה מוערכים במהלך כיול גיאומטרי של מודול המצלמה. אלגוריתם עיבוד העומק יכול גם להפיק מידע אחר כגון תמונות בהירות אקטיביות (משרעת של אות הלייזר החוזר), תמונות IR דו-ממדיות פסיביות ורמות ביטחון, שכולן יכולות לשמש ביישומי קצה. ניתן לבצע את עיבוד העומק במודול המצלמה עצמו או במעבד מארח במקום אחר במערכת.

סקירה של הרכיבים השונים ברמת המערכת המכוסה במאמר זה מוצגת בטבלה 2. נושאים אלה יוסרו בפירוט רב יותר במאמרים עתידיים.

טבלה 2. רכיבים ברמת המערכת של זמן תלת ממדי של מצלמות טיסה

סיכום

זמן גל רציף של מצלמות טיסה הוא פיתרון רב עוצמה המציע דיוק עומק גבוה ליישומים הדורשים מידע תלת ממדי איכותי. ישנם גורמים רבים שיש לקחת בחשבון בכדי להבטיח כי רמת הביצועים הטובה ביותר מושגת. גורמים כמו תדירות אפנון, ניגודיות הדמולציה, יעילות קוונטית ורעש קריאה מכתיבים ביצועים ברמת חיישן התמונה. גורמים נוספים הם שיקולים ברמת המערכת, הכוללים את תת-מערכת ההארה, תכנון אופטי, ניהול צריכת חשמל ואלגוריתמים לעיבוד עומק. כל המרכיבים הללו ברמת המערכת הם קריטיים להשגת הדיוק הגבוה ביותר 3D מערכת מצלמות ToF. נושאים אלה ברמת המערכת יוסרו בפירוט רב יותר במאמרים הבאים.