Was ist der Unterschied zwischen ToF, Stereo Vision und Structured Light?

Wie funktioniert Time-of-Flight (ToF)?

Time-of-Flight-Kameras arbeiten nach dem Prinzip der aktiven Distanzmessung. Die Kamera sendet Licht aus und misst, wie lange das Licht (in der Regel von einem Laser) bis zum Objekt und zurück zum Sensor benötigt. Aus diesen Informationen lässt sich die Entfernung zum Objekt berechnen.

Grundsätzlich wird zwischen direkter und indirekter Laufzeitmessung unterschieden. Bei der direkten Laufzeitmessung wird die tatsächliche Zeit bestimmt, die das Licht für den Hin- und Rückweg benötigt. Industrielle ToF-Kameras basieren jedoch häufig auf dem sogenannten indirect Time-of-Flight (iToF). Dabei wird die Entfernung aus der Phasenverschiebung zwischen ausgesendetem und empfangenem Lichtsignal berechnet.

Ein wesentlicher Vorteil von ToF-Systemen besteht darin, dass die Tiefeninformationen für jedes Pixel gleichzeitig erfasst werden können. Mit iToF sind hohe Bildauflösungen mit sehr hohen Frameraten möglich. Dadurch eignen sich ToF-Kameras besonders für schnelle Prozesse und bewegte Objekte.

Stärken von Time-of-Flight

• Schnelle 3D-Erfassung in Echtzeit
• Tiefeninformationen für alle Bildpunkte in einer Aufnahme
• Gut für bewegte Objekte geeignet
• Vergleichsweise einfache Systemintegration
• Robuste Distanzmessung über größere Arbeitsbereiche
• Kostengünstige Lösung für viele industrielle 3D-Anwendungen

Grenzen von Time-of-Flight

• Typischerweise geringere Genauigkeit als hochauflösende Stereo- oder Structured-Light-Systeme
• Mehrwegeffekte können Messergebnisse beeinflussen
• Reflektierende Oberflächen können die Messqualität reduzieren
• Abhängigkeit von aktiver Beleuchtung
• Messbereich ist durch Sensor- und Beleuchtungstechnik begrenzt

Wie funktioniert Stereo Vision?

Stereo Vision orientiert sich am menschlichen Sehen und nutzt mindestens zwei Kameras, die dieselbe Szene aus unterschiedlichen Blickwinkeln erfassen. Aus den Bildunterschieden wird die Tiefe mittels Triangulation berechnet. Dabei wird die Entfernung eines Objekts anhand geometrischer Beziehungen zwischen den Kamerapositionen bestimmt.

Bei der passiven Stereo Vision erfolgt die Tiefenbestimmung ausschließlich anhand vorhandener Bildmerkmale. Das Verfahren funktioniert besonders gut, wenn die Oberfläche eines Objekts ausreichend Struktur oder Textur aufweist.

Bei texturarmen, einfarbigen oder spiegelnden Oberflächen kommen häufig aktive Stereo-Vision-Systeme zum Einsatz. Dabei projiziert ein Projektor ein zufälliges oder definiertes Punktemuster auf die Szene, sodass die Tiefenberechnung auch unter schwierigen Bedingungen zuverlässig funktioniert.

Aktive Stereo Vision bildet damit die Brücke zwischen klassischer Stereo Vision und Structured Light. Moderne industrielle 3D-Kameras kombinieren die Vorteile der Triangulation mit einer gezielten Texturprojektion.

Stärken von Stereo Vision

• Hohe Messgenauigkeit, Robustheit
• Detaillierte Punktwolken
• Flexible Anpassung an unterschiedliche Messbereiche
• Sehr gut für Bin Picking geeignet
• Aktives Stereo funktioniert auch bei texturarmen (glatten oder einfarbigen) Objekten

Grenzen von Stereo Vision

• Aufwendigere Kalibrierung als bei ToF-Systemen
• Höherer Rechenaufwand
• Passives Stereo benötigt ausreichend Oberflächenstruktur
• Verdeckte Bereiche können Datenlücken verursachen
• Bewegte Objekte können die Messqualität beeinflussen
• Empfindlicher gegenüber Umgebungslicht

Wie funktioniert Structured Light?

Structured-Light-Systeme projizieren definierte Lichtmuster auf ein Objekt. Typische Muster sind Streifen, Linien oder Gitterstrukturen. Eine Kamera erfasst anschließend die Verformung dieser Muster auf der Objektoberfläche.

Da Form und Position des projizierten Musters bekannt sind, kann die Geometrie des Objekts mit hoher Präzision berechnet werden. Auch Structured Light basiert auf Triangulation, nutzt jedoch zusätzlich die aktive Projektion eines bekannten Musters.

Durch die kontrollierte Projektion lassen sich sehr detaillierte Oberflächenrekonstruktionen erzeugen. Deshalb wird Structured Light häufig für Vermessungs- und Inspektionsaufgaben eingesetzt.

Stärken von Structured Light

• Sehr hohe Messgenauigkeit
• Detaillierte Rekonstruktion von Oberflächen
• Hohe Auflösung der 3D-Daten
• Geeignet für Vermessungs- und Inspektionsaufgaben
• Sehr gute Ergebnisse bei kleinen bis mittelgroßen Objekten

Grenzen von Structured Light

• Empfindlich gegenüber starkem Umgebungslicht
• Bewegte Objekte erschweren die Messung
• Meist begrenzte Reichweite
• Zusätzlicher Projektor erforderlich
• Höhere Systemkomplexität

Welches 3D-Verfahren sollte ich wählen?

Wenn eine schnelle Tiefenerfassung in Echtzeit erforderlich ist und auch bewegte Objekte zuverlässig erfasst werden sollen, ist Time-of-Flight häufig die erste Wahl. Das Verfahren liefert Tiefendaten mit nur einer Aufnahme, ist oft vergleichsweise kostengünstig umsetzbar und eignet sich besonders für Robotik-, Logistik- und Automatisierungsanwendungen.

Wenn hochauflösende Punktwolken und präzise 3D-Daten benötigt werden, bietet Stereo Vision häufig den besten Kompromiss aus Genauigkeit und Flexibilität. Aktive Stereo-Vision-Systeme ermöglichen zudem die zuverlässige Erfassung von Objekten mit geringer Oberflächenstruktur und haben sich insbesondere im Bin Picking etabliert.

Wenn maximale Messgenauigkeit sowie eine besonders detaillierte Rekonstruktion von Oberflächen gefragt sind, wird häufig Structured Light eingesetzt. Das Verfahren eignet sich besonders für Vermessungs-, Prüf- und Inspektionsaufgaben.

Die Wahl des geeigneten 3D-Verfahrens hängt von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Entscheidend sind dabei Faktoren wie Genauigkeit, Geschwindigkeit, Reichweite und Umgebungsbedingungen.

Welche IDS-Produkte decken diese Verfahren ab?

DS bietet sowohl 3D-Kameras auf Basis von Time-of-Flight als auch aktive Stereo-Vision-Systeme an und ermöglicht damit Lösungen für ein breites Spektrum industrieller 3D-Anwendungen.

Wie deckt IDS Structured-Light-Anwendungen ab?

Viele Anwendungen, die traditionell mit Structured-Light-Systemen umgesetzt werden, können heute auch mit aktiver Stereo Vision realisiert werden. Durch die Kombination aus Triangulation und Texturprojektion decken Ensenso-Systeme zahlreiche Anwendungsfelder wie Bin Picking, Robotik oder industrielle 3D-Inspektion ab.

Bei Fragen zur Auswahl des passenden 3D-Verfahrens oder zur Umsetzung konkreter Anwendungen unterstützt unser Team Sie gerne.