Analyse und Qualifizierung von laufzeitbasierten 3D-Kameras

Im Rahmen des technischen Fortschritts ergeben sich immer neue Möglichkeiten, insbesondere im Bereich der Messtechnik. Hierzu gehört z. B. die Technologie der laufzeitbasierten 3D-Kameras, auch ToF-Kameras genannt. Diese erfassen neben den 2D-Informationen, ähnlich wie eine handelsübliche Kamera, auch Tiefeninformationen. Somit weiß man nicht nur, wo sich ein Objekt im Bildbereich befindet, sondern darüber hinaus auch wie weit sich dieses Objekt von der Kamera entfernt befindet (siehe Bild 1 und 2).

Im Rahmen dieser Diplomarbeit sollte die Technologie analysiert und die verschiedenen Verfahren verglichen werden. Darüber hinaus sollte die ToF-Kamera der Hochschule Heilbronn charakterisiert werden um somit die Grundlage für weitere Projekte geschaffen werden.

Bild 1: Schematische Darstellung eines Messaufbaus (links) und das daraus resultierende Abstandsbild (rechts).

Bild 2: Abstandsbild einer Person. Die Abstände sind im Bild farblich codiert.

Das Prinzip der ToF-Kameras ist im Grunde bestechend einfach. Es wird ein Signal von der Kamera ausgesandt und die Zeit gemessen die dieses benötigt um die Strecke zum Objekt und wieder zurück zurückzulegen (siehe Bild 3). Die Fledermaus wendet ein ähnliches Verfahren an, um sich zu orientieren. Allerdings verwendet diese keine Lichtwellen, sondern Schallwellen. Da die Geschwindigkeit des Lichts mit 300000 km/s deutlich höher ist als die des Schalls, ergibt sich hier bereits das erste Problem. Wollte man z. B. ein Objekt detektieren, welches sich 6 m vor der Kamera befindet, so würde das Licht für die sich daraus ergebende Strecke von 12 m etwa 40 ns benötigen. Die Realisierung einer solchen Messung stellt eine sehr hohe Anforderung an die Ausleseelektronik.

Neben diesen Pulsmessenden gibt es auch die Phasenmessenden Verfahren. Diese senden das Signal nicht als kurzen Impuls, sondern kontinuierlich mit einer Sinusmodulation. Hierbei wird der Abstand aus dem Phasenversatz des eintreffenden Signals und einem Referenzsignal ermittelt. Aber auch dieses Verfahren hat seine Nachteile. Da sich die Sinusmodulation ständig wiederholt, gibt es einen eingeschränkten Eindeutigkeitsbereich, welcher sich aus der verwendeten Modulationsfrequenz ergibt.

Bild 3: Allgemeine Darstellung der Laufzeitverfahren. Das moduliertes Signal trifft auf ein Objekt und wird reflektiert. Anschließend wird es über eine Optik abgebildet und ausgewertet.

Zur Charakterisierung der Kamera wurden unterschiedliche Szenarien geprüft. Hierzu gehörte unter anderem die Untersuchung des Einflusses von Fremdlicht und verschiedenen Störern. Durch diese Messungen sollte eine Abschätzung der Anwendungsbereiche und deren Umgebungsbedingungen ermöglicht werden.

Abschließend kann festgehalten werden, dass sich durch die Laufzeittechnologie interessante Möglichkeiten ergeben. Hierbei ist nicht nur der industrielle, sondern auch der Unterhaltungsbereich gemeint. Die Fa. Microsoft hat beispielsweise, im Rahmen ihrer Spielekonsole eine Benutzerschnittstelle angekündigt, die eine derartige Technologie verwendet. Das mit „Projekt Natal“ bezeichnete Kamerasystem soll Bewegungen und Gesten erfassen können und somit die Kontrolle einer Spielfigur ermöglichen. Hiermit kann auch der Beweis erbracht werden, dass eine günstige Umsetzung bei hohen Stückzahlen möglich ist.

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