Komplexe und meist kostenintensive Beleuchtungen sind bei herkömmlichen 3D-Visiontechnologien in der Regel die Voraussetzung zur Aufnahme qualitativ guter Bilddaten. Nicht so bei Topaz5D von Teledyne e2v, betont Laurent Appercel, Senior Marketing Manager des Unternehmens: „Topaz5D hat die einzigartige Fähigkeit, gestochen scharfe 2D-Bilder in Full-HD zusammen mit detaillierten kontrastbasierten 3D-Tiefeninformationen in Echtzeit, bei hohen Bildraten und ohne Latenz zu liefern. Diese Vorteile werden von einem einzigen Sensor zur Verfügung gestellt, der mit geringen Kosten, minimalem Stromverbrauch und mit vereinfachter Hardware und Software eingesetzt werden kann.“
Keine spezielle Beleuchtung benötigt
Eine Besonderheit ist, dass der Sensor keine spezielle Beleuchtung benötigt: Vorhandene Innenbeleuchtung in einem Raum, direktes Sonnenlicht oder auch eine Mischung von Beleuchtungsarten sind bereits ausreichend, um gute Ergebnisse zu erzielen. Hinzu kommt, dass Topaz5D im Vergleich zu Stereoskopie-Lösungen nur einen einzigen Sensor und ein Objektiv benötigt, ohne dass eine komplexe Ausrichtung wie bei Systemen mit zwei Objektiven erforderlich ist oder die Gefahr von Abschattungen besteht. Darüber hinaus bietet der Sensor im Vergleich zu anderen 3D-Technologien deutlich niedrigere Betriebskosten, da er von Anfang an nach einem kostenorientierten Verfahren konzipiert wurde.
Topaz5D kombiniert kleine 2,5µm Global-Shutter-Pixel mit einer zusätzlichen Ebene, welche die Lichtbeugung im Pixel steuert, um winkelsensitive Pixel zu erzeugen. Dadurch können 3D-Winkelsignal-Rohdaten generiert und anschließend mit einem 5D-kompatiblen SDK, z.B. auf Rechenplattformen von Nvidia oder Qualcomm, verarbeitet werden. Der Sensor ist eine 3D-fähige Variante der Topaz 2M-Sensoren von Teledyne e2v, die in der Logistik, im Einzelhandel und in Smart Factories weit verbreitet sind. Er hat eine Auflösung von 2MP (1.920 x 1.080) und ist sowohl in Monochrom- als auch in Farb-Ausführungen erhältlich. Dank seines winzigen Formfaktors von nur 7,65×4,45mm lässt er sich leicht in optische Systeme oder Module integrieren und verbraucht bei voller Bildrate nur 200mW Leistung. Er erzeugt 3D Depth Maps und zeigt die Kontrastdetails aller Arten von Objekten an, selbst wenn diese aus Sicht der Bildverarbeitung schwierige Oberflächen aufweisen. Dazu zählen u.a. schwarze oder stark glänzende Objekte oder solche, die durch Glasscheiben oder transparentes organisches Material, wie z.B. Plexiglas oder Plastikflaschen, hindurch betrachtet werden. Diese Eigenschaft bietet unter anderem die Möglichkeit, den Füllstand von Behältern auf einfache Weise zu erkennen.
Vielfältige Anwendungen
Da der Full-HD-CMOS-Bildsensor kombinierte Ergebnisse aus 2D-Bildverarbeitung und 3D-Tiefeninformationen auf der Grundlage des erkannten Kontrasts liefert, stellt er für eine Vielzahl an Aufgabenstellungen eine leistungsfähige Lösung dar. So eignet er sich u.a. für die 3D-Objektvisualisierung in verschiedenen Logistikanwendungen, z.B. um Verpackungskartons stationär oder manuell zu dimensionieren, Etikettenplatzierungen zu erkennen, die Befüllung von Behältern oder Paletten zu überprüfen, für die exakte Objekterkennung an Pick&Place-Stationen und viele weitere Aufgaben im Logistikbereich. Darüber hinaus ist Topaz5D auch für zahlreiche weitere Einsatzfälle einsetzbar, z.B. zur Führung von Roboterarmen, für Anwendungen von Headsets mit Artificial oder Virtual Reality zum Tracking von Augen- oder Handbewegungen, bei Zugangskontrollgeräten mit 3D-Authentifizierung, für die 3D-Gesichtsmodellierung im Gesundheitswesen sowie bei Haushaltsstaubsaugerrobotern und autonomen mobilen Robotern.
Ausblick
Die aktuelle Version des CMOS-Bildsensors Topaz5D soll nach Aussage von Laurent Appercel bis Ende 2024 auch als Modulversion sowohl des Monochrom- als auch des Farbsensors verfügbar sein: „Damit steht Anwendern ein vollständig getestetes und kalibriertes 2D- und 3D-Bildverarbeitungssystem zur Verfügung, das schnell und direkt mit Embedded Vision-Prozessoren verbunden werden kann. Kunden erhalten so eine sehr einfache Lösung, die die Komplexität herkömmlicher 3D-Visionsysteme in Bezug auf Objektivauswahl, Modulmontage, Testen und Kalibrierung vermeidet und gleichzeitig eine garantierte Leistung bietet. Da sich das SDK für die 5D-Verarbeitung auch in Plattformen verschiedener SoC-Anbieter integrieren lässt, erschließt der Sensor dann viele weitere mögliche Anwendungen.“ In Kombination mit der neuesten rauscharmen Global-Shutter-Pixeltechnologie von Teledyne e2v sind dabei auch Objektbewegungen kein Problem. Eine Verarbeitungsgeschwindigkeit von bis zu 30fps und mehr für 3D-Tiefenkarten sowie eine 3D-Standardtiefenleistung, die unter kontrollierten Testbedingungen unter 3% bei 1m Arbeitsabstand erreichen kann, bieten eine hervorragende Voraussetzung für den Einsatz von Topaz5D in vielfältigen Aufgaben.