3Dマッピングテクノロジーは製造業や医療、農業などのさまざまな産業で重要な役割を果たすようになっています。この技術は、以前は得られなかった洞察を提供し、画像処理能力を向上させます。3Dマッピングカメラには、ToFカメラ（タイム・オブ・フライトカメラ）、ステレオビジョンカメラ、構造化ライトカメラなど、いくつかの種類があります。
それでは、組み込みビジョン アプリケーションに最も必要なものについて説明します。
このブログでは、上記3種類のカメラ、その主なコンポーネント、およびそのメリットに関する貴重な情報を紹介します。 また、3D マッピングの一般的な使用例と、最新のアプリケーションがこの最先端のテクノロジーをどのように使用するかについても説明します。
３Dマッピングとは何か？
3D マッピングは、3 次元マッピングとも呼ばれ、環境や物体を立体的に視覚化するテクノロジーです。これにより、 レイアウト、サイズ、深度を正確に撮影し、完全かつ詳細な全体像を提供します。 このプロセスには、現実世界からデータを撮影し、それをデジタル 3 次元表現に変換することが含まれます。
3D マッピングの基礎は、それが採用されているカメラ技術にあります。基本的には、環境から深度データを収集する必要がありますが、これは従来の 2D カメラにはない機能です。 この深度情報は 3 次元として機能し、様々な組み込みビジョン タスクに不可欠な詳細を提供します。
3Dマッピングカメラの種類は下記の通りです。
ToFカメラ
ToF（タイム・オブ・フライトカメラ）カメラは、その名前が示すように、放出された光が物体で反射して戻ってくるまでの時間を計測することで、物体までの距離を測定します。 これらのカメラは主に次のもので構成されます。
- 光データを取得して変換する ToF センサーおよびセンサー モジュール
- 通常はVCSELやLEDを使用し、NIR領域で光を発する光源
- 生データを処理し、ノイズを取り除き、深度情報を生成する深度センサー
ToF（タイム・オブ・フライトカメラ）カメラは、高速なデータ取得速度と高解像度を備えているため、詳細なマッピングや3Dイメージングで特に優れた利点を提供します。これらのカメラは、光の速度の原理を活用してリアルタイムの深度マップを作成することができ、様々なアプリケーションで貴重な存在となっています。ToFカメラの主な特長や利点には、以下のものがあります：
- 速度と便利さ: ToF カメラは、深度の詳細を瞬時に取得する機能を備えており、リアルタイム3D イメージングを可能にし、常に変化する環境において特に有利な機能です。
- 計算負荷の軽減: ステレオ ビジョン設定とは異なり、ToF カメラは深度計算に複雑なアルゴリズムを必要としないため、計算効率が向上します。
- 周囲光に対する耐性: ToF カメラは周囲光の変化の影響を受けにくく、外部条件に関係なく一貫した機能を保証します。
- コンパクトさ: 一般的に、ToFカメラは他の3Dイメージングシステムよりもコンパクトに設計されているため、スペースに制約のあるアプリケーションに適しています。
- 適応性: ToF カメラは、家庭用電化製品でのジェスチャーの認識からロボットやドローンでの障害物検知に至るまで、幅広い用途に応用できます。
ステレオビジョンカメラ
ステレオ ビジョン カメラは、人間の視覚からインスピレーションを得ています。2つのレンズで撮影した画像間の差異から得られる深度情報を利用し、私たちの両眼視覚を模倣しています。ステレオビジョンにおける主な考慮事項は次のとおりです。
- ベースライン: 二つのカメラの間の距離。
- 解像度: 深度は解像度と直接関連します。高い解像度はより良い深度を示しますが、それにはより多くの処理能力が必要です。
- 焦点距離: バランスを取ることが重要です。焦点距離が短いと、遠くの物体も捉えられますが、視野が制限されます。
これらのカメラは 2 つの別々の画像を取り込み、位置合わせして、深度画像を生成します。 これらは、広い視野を持つ屋外用途に特に役立ちます。 ステレオ ビジョン カメラのメリットのいくつかを次に示します。
- 深度認識: ステレオ ビジョン カメラは、リアルタイムの深度認識を実現することに優れています。 撮影した 2 つの画像の視差を分析することで、物体の距離と空間配置を確認し、2D 画像を 3D の視点に変換します。
- 様々な照明における堅牢性: ステレオ ビジョン カメラは、他の深度センシング技術とは異なり、周囲の照明ではなく2つの画像間の視差に依存するため、周囲の照明条件の変化に影響されにくいため、信頼性が高いです。
- 広い視野: 2つのレンズの配置によって、ステレオカメラは広い視野を提供できます。これにより、自動運転や監視など、環境を広く見渡すことが重要な用途において、特に価値があります。
- コストの最適化: ステレオ ビジョン カメラは、レーザーや赤外線などの特殊な光源を必要とせずに信頼性の高い深度データを提供するため、他の特定の 3D イメージング テクノロジと比較した場合、特に屋外での使用においてより経済的な選択肢となる可能性があります。
構造化光カメラ
構造化光カメラは 3D マッピングの方法を利用しており、光のパターンを物体に投影し、生じた歪みを観察します。 このアプローチは次の原則に基づいています。
- カメラはレーザーまたは LED ライトを使用して、物体に構造化されたパターン (縞模様の場合が多い) を投影します。
- 別の角度から見ると、これらのパターンの歪みにより、カメラは奥行きを計算できます。
- このテクノロジーは 3Dスキャンに適用し、物体の詳細なデジタルモデルを作成します。
構造化光カメラのメリットはいくつか以下で記載します。
- 高精度と解像度: 構造化光カメラは、投影されたパターンの微細な歪みを捉えることができるため、高解像度の深度マップを提供します。 これにより、特にカメラに近い物体に対して、複雑で詳細な3Dモデルを作成することが可能になります。
- 使用用途の多様性: 構造化光カメラは精度が高いので、製造や医療画像処理における品質管理など、詳細な 3D スキャンが不可欠な業界で好まれています。
- 制御された環境でのパフォーマンス: 周囲光を制御できる設定では、構造化光カメラは、外部光源からの干渉がなく、信頼性が高く一貫した深度測定を提供することで、他の深度センシング技術よりも優れた性能を発揮します。
- 設計の柔軟性: 構造化光カメラによって投影されるパターンは、特定の用途に合わせて変更できます。詳細なスキャンのための密なグリッドや、素早い結果を得るためのシンプルなパターンなど、ニーズに応じてシステムを調整することが可能です。
3D マッピング カメラの主な使用例は何ですか?
自律移動ロボット (AMR)
自動輸送や配達は安全なナビゲーションに依存しており、そのために3Dマップを多用します。3Dマッピングカメラを使って撮影されたこれらの詳細なマップは、ロボットに障害物を避け、ルートを計画し、リアルタイムで判断するために必要な奥行き感覚を提供し、配達や案内がシームレスでミスなく行われることを保証します。
人数カウントおよびなりすまし防止による顔認識システム
現代のセキュリティシステムは、特に大規模な施設やイベントで、3Dカメラを使って人を数え、正確な群衆管理の洞察を提供します。さらに、デジタル認証の時代において、顔認識の真正性を確保することが重要です。3Dカメラは顔の奥行きや輪郭を識別できるため、なりすましを検出して対策する上で重要な役割を果たし、追加のセキュリティ層を提供します。
遠隔患者モニタリング
特に救命救急シナリオにおける遠隔患者モニタリングには、包括的なデータが必要です。 3D カメラの深度と詳細を利用して、医療専門家は患者の状態についての全体的な洞察を得ることができます。 このリアルタイムの深度モニタリングは、患者の姿勢、呼吸パターン、または動きを評価するのに重要な役割を果たし、適時かつ正確な介入を保証します。
収穫ロボット
農業は最も古い職業の 1 つですが、現在では最新のテクノロジーを取り入れています。 3D ビジョンを備えた収穫ロボットは、作物の収集方法に革命をもたらしています。 3D マッピング カメラからの奥行き認識を利用して、熟した作物と未熟な作物を正確に区別します。 これにより、成熟した作物のみが確実に収穫され、無駄が削減され、最大の収量が保証され、農業プロセスの最適化につながります。
パトロールロボット
大規模な敷地や敏感なエリアではセキュリティ上の懸念があるため、継続的な監視が必要です。 3D マッピング カメラを備えた巡回ロボットは、広大な環境を自律的に移動できます。 深度情報により、これらのロボットは障害物、潜在的なセキュリティ侵害、放置されたアイテムを特定できるため、包括的なセキュリティ範囲と即時の脅威への対応が保証されます。
テレプレゼンスロボット
世界がますますグローバル化する中で、バーチャルに「存在」することが、実際の存在と同じくらい重要になることがあります。 3D カメラを備えたテレプレゼンス ロボットは、ユーザーに完全な没入体験を提供します。 これらは、別の場所を反映する 3 次元の仮想環境を再作成し、ユーザーが物理的にその場にいるかのように対話し、関わることを可能にします。
e-con Systemsが提供する3Dマッピングカメラ
e-con Systems は、最適なカメラ ソリューションの設計、開発、製造において 20 年以上の経験があります。 当社のラインナップには、Time-of-Flight テクノロジーを搭載した一連の 3D カメラである DepthVista シリーズが含まれています。
当社の Time of Flightカメラは NIR スペクトル (940nm/850nm) 内で動作し、内部環境と外部環境の両方で信頼性の高い3D撮影を保証します。 カメラ内に統合された深度分析を提供し、リアルタイムの 2D および 3D 情報を瞬時に生成します。
DepthVista シリーズは、忠実度が高く正確な 3D撮影により、自律ロボット、自動運転トラクター、医療監視および観察、3D 顔識別に最適です。
このカメラシリーズには、USB、MIPI、GMSL2の3つの接続オプションが装備されています。NVIDIA Jetson AGX ORIN/AGX Xavier および X86 指向システム用のドライバーと SDK の互換性を提供します。
e-con Systems は、Taraや TaraXL などの最先端のステレオ ビジョン カメラも提供しています。
3D マッピング カメラをアプリケーションに統合するのにサポートが必要な場合は、 camerasolutions@e-consystems.com までご連絡ください。
Prabu Kumarは、e-con Systemsの最高技術責任者兼カメラ製品責任者であり、組み込みビジョン分野で15年以上の豊富な経験があります。彼は、USBカメラ、組み込みビジョンカメラ、ビジョンアルゴリズム、FPGAに関する深い知識をも有しています。医療、工業、農業、小売、生体認証などのさまざまなドメインにまたがる50以上のカメラソリューションを構築してきました。また、デバイスドライバー開発とBSP開発の専門家でもあります。現在は、新時代のAIベースのアプリケーションを強化するスマートカメラソリューションの構築に全力を注いでいます。