Time of Flight
Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS
Eingebettetes Multisensor-Kamerasystem für Time-of-Flight-Messungen und 3D-Datenanalyse
- Abb. 1: Das Time-of-Flight-Messprinzip
In diesem Forschungsprojekt entsteht ein Multisensor-Kamerasystem, in dem ein HDTV- und ein Time-of-Flight-Sensor kombiniert werden.
Das Prinzip der Time-of-Flight-Verfahrens besteht in der Messung der Laufzeit eines infraroten Lichtimpulses, der von einer Lichtquelle ausgesendet, an einem Objekt reflektiert und schließlich von einem Sensor detektiert wird. Auf der Basis der bekannten Lichtgeschwindigkeit kann somit der Abstand des Objektes vom Sensor pro Pixel berechnet werden. Das Prinzip ist in Abb. 1 dargestellt.
Das ToF-Messprinzip birgt eine Reihe von Problemen, die bei der Berechnung der Distanz berücksichtigt werden müssen, z.B. Mehrdeutigkeiten bei großen Entfernungen und Ungenauigkeiten bei der Messung bewegter Objekte.
Die derzeit am Markt verfügbaren ToF-Kameras besitzen nur wenig oder keine Eigenintelligenz und benötigen daher immer ein externes Computersystem, z. B. einen PC, der alle benötigten Berechnungen durchführt. Unser Ziel ist daher, eine PC-unabhängige Plattform zu schaffen, die über genügend Rechenleistung verfügt, um alle zur Entfernungsmessung und 3D-Datenanalyse notwendigen Algorithmen berechnen zu können.
Ausgehend von einem bereits existierenden Labormodell mit eingeschränkter Funktionalität, soll das Multisensor-System über folgende Eigenschaften verfügen:
- Ein modulares Sensorfrontend erlaubt den Einsatz unterschiedlicher Sensoren
- Embedded-Plattform mit sehr hoher Rechenleistung durch Verwendung von Multicore-Signalprozessoren und FPGAs der neuesten Generation
- Universelle anwendungsneutrale Bildverarbeitungsplattform
- Einsatz zusätzlicher nicht-optischer Sensoren, z.B. Inertial- oder Magnetfeldsensoren zur Bewegungskompensation
- Kompaktes und energiesparendes Design zum mobilen Einsatz
- Abb. 3: Personendetektion mit und ohne Auswertung der Entfernung
Eine der wichtigsten Anwendung des neuen Kamerasystems ist die Videoüberwachung, wobei die zusätzliche Tiefeninformation des ToF-Sensors die Zuverlässigkeit der Objektdetektion erhöht. Dies betrifft insbesondere teilverdeckte Objekte wie in Abb. 3 gezeigt, die durch die Auswertung der Entfernungsinformation zuverlässiger unterschieden werden können. Zudem kann durch die genaue Tiefeninformation ein wesentlich genaueres Hintergrundmodell einer Szene erstellt werden, als es mit einem traditionellen Stereoskopischen System möglich wäre.
Neben der Videoüberwachung bietet sich für das Multisensor-System ein breites Spektrum an Anwendungen:
- Medizintechnik: 3D-Endoskopie, Patientenpositionierung
- Highspeed-TOF: Vibrationsmessungen, Velocity charts
- Unterwasseranwendungen: Vermessung von Schiffswracks oder geologischen Formationen, Identifikation von Delphin-Individuen anhand charakteristischer Verletzungen, Vermessung von Wellenhöhe und Bodenbewegungen
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