¿Cuál es la diferencia entre ToF, stereovisión y luz estructurada?

¿Cómo funciona tiempo de vuelo (ToF)?

Las cámara de tiempo de vuelo funcionan según el principio de medición activa de distancia. La cámara emite luz y mide cuánto tiempo tarda la luz (por lo general de un láser) en llegar al objeto y regresar al sensor. A partir de esta información se puede calcular la distancia al objeto.

Básicamente, se distingue entre la medición directa e indirecta del tiempo de vuelo. En la medición directa del tiempo de vuelo, se determina el tiempo real que la luz necesita para el trayecto de ida y vuelta. Sin embargo, las cámaras ToF industriales se basan a menudo en el llamado tiempo de vuelo indirecto (iToF). En este caso, la distancia se calcula a partir del desplazamiento de fase entre la señal de luz emitida y la recibida.

Una ventaja esencial de los sistemas ToF consiste en que la información de profundidad puede capturarse simultáneamente para cada píxel. Con iToF es posible obtener imágenes de alta resolución con frecuencias de imagen muy elevadas. Debido a esto, las cámaras ToF son especialmente adecuadas para procesos rápidos y objetos en movimiento.

Ventajas de tiempo de vuelo

• Captura 3D rápida en tiempo real
• Información de profundidad para todos los píxeles en una toma
• Bien adaptado para objetos en movimiento
• Integración de sistema comparativamente sencilla
• Medición de distancia robusta en áreas de trabajo más grandes
• Solución rentable para muchas aplicaciones industriales 3D

Límites de tiempo de vuelo

• Típicamente menor precisión que los sistemas stereovisión o de luz estructurada de alta resolución
• Los efectos de trayectorias múltiples pueden influir en los resultados de medición
• Las superficies reflectantes pueden reducir la calidad de la medición
• Dependencia de la iluminación activa
• El rango de medición está limitado por la tecnología del sensor y de iluminación

¿Cómo funciona la stereovisión?

La stereovisión se basa en la visión humana y utiliza al menos dos cámaras que capturan la misma escena desde diferentes ángulos. La profundidad se calcula a partir de las diferencias de imagen mediante triangulación. En este proceso, la distancia de un objeto se determina basándose en las relaciones geométricas entre las posiciones de las cámaras.

En la stereovisión pasiva, la determinación de la profundidad se realiza exclusivamente a partir de las características de imagen existentes. El procedimiento funciona especialmente bien cuando la superficie de un objeto presenta suficiente estructura o textura.

En superficies con poca textura, de un solo color o reflectantes, se suelen utilizar sistemas de stereovisión activos. Para ello, un proyector proyecta un patrón de puntos aleatorio o definido sobre la escena, de modo que el cálculo de profundidad funcione de manera fiable incluso en condiciones difíciles.

La stereovisión activa constituye, por tanto, el puente entre la stereovisión clásica y la luz estructurada. Las cámaras 3D industriales modernas combinan las ventajas de la triangulación con una proyección de textura dirigida.

Ventajas de la stereovisión

• alta precisión de medición, robustez
• nubes de puntos detalladas
• adaptación flexible a diferentes rangos de medición
• muy adecuada para la selección de objetos en contenedores (bin picking)
• la stereovisión activa también funciona con objetos con poca textura (lisos o de un solo color)

Límites de la stereovisión

• calibración más compleja que en los sistemas ToF
• mayor carga computacional
• La stereovisión pasiva requiere una estructura superficial suficiente
• las áreas ocultas pueden causar lagunas en los datos
• los objetos en movimiento pueden afectar la calidad de la medición
• más sensible a la luz ambiental

¿Cómo funciona la luz estructurada?

Los sistemas de luz estructurada proyectan patrones de luz definidos sobre un objeto. Los patrones típicos son franjas, líneas o estructuras de rejilla. Una cámara captura a continuación la deformación de estos patrones en la superficie del objeto.

Dado que la forma y la posición del patrón proyectado son conocidas, la geometría del objeto puede calcularse con alta precisión. La luz estructurada también se basa en la triangulación, pero utiliza adicionalmente la proyección activa de un patrón conocido.

Mediante la proyección controlada se pueden generar reconstrucciones de superficies muy detalladas. Por ello, la luz estructurada se utiliza frecuentemente para tareas de medición e inspección.

Ventajas de la luz estructurada

• muy alta precisión de medición
• reconstrucción detallada de superficies
• alta resolución de los datos 3D
• adecuado para tareas de medición e inspección
• muy buenos resultados en objetos de tamaño pequeño a mediano

Límites de la luz estructurada

• sensible a la luz ambiental intensa
• los objetos en movimiento dificultan la medición
• alcance generalmente limitado
• se requiere un proyector adicional
• mayor complejidad del sistema

¿Qué método 3D debería elegir?

Si se requiere una captura de profundidad rápida en tiempo real y también se deben capturar objetos en movimiento de forma fiable, el tiempo de vuelo (Time-of-Flight) suele ser la primera opción. El método proporciona datos de profundidad con una sola captura, a menudo se puede implementar de forma comparativamente económica y es especialmente adecuado para aplicaciones de robótica, logística y automatización.

Cuando se requieren nubes de puntos de alta resolución y datos 3D precisos, la stereovisión suele ofrecer el mejor compromiso entre precisión y flexibilidad. Los sistemas de stereovisión activas también permiten la detección fiable de objetos con poca textura superficial y se han consolidadas especialmente en la selección de objetos en contenedores (bin picking).

Cuando se requiere la máxima precisión de medición, así como una reconstrucción especialmente detallada de las superficies, se suele utilizar la luz estructurada. El método es especialmente adecuado para tareas de medición, comprobación e inspección.

La elección del método 3D adecuado depende de los requisitos de la aplicación correspondiente. Factores como la precisión, la velocidad, el alcance y las condiciones ambientales son decisivos.

¿Qué productos de IDS cubren estos procedimientos?

IDS ofrece tanto cámaras 3D basadas en tiempo de vuelo como sistemas activos de stereovisión , permitiendo así soluciones para un amplio espectro de aplicaciones industriales 3D.

¿Cómo cubre IDS las aplicaciones de luz estructurada?

Muchas aplicaciones que tradicionalmente se realizan con sistemas de luz estructurada pueden llevarse a cabo hoy en día también con stereovisión activa. Gracias a la combinación de triangulación y proyección de textura, los sistemas Ensenso cubren numerosos campos de aplicación como el bin picking, la robótica o la inspección industrial 3D.

Si tiene preguntas sobre la elección del método 3D adecuado o sobre la implementación de aplicaciones concretas, nuestro equipo le ayudará con mucho gusto.