Vorteile und Nachteile von Time-of-Flight-Kameras (ToF)

ToF cameras advantages and disadvantages
Vorteile und Nachteile von Time-of-Flight-Kameras (ToF)

Jede Tiefenerkennungstechnologie hat ihre eigenen Vor- und Nachteile, und es gibt keine allgemeine Technologie, die universell für alle Anwendungen geeignet ist. Aus diesem Grund ist es wichtig, die am besten geeignete Technologie für eine bestimmte Anwendung anhand der Betriebsanforderungen und -bedingungen sorgfältig auszuwählen. In einigen Fällen kann es notwendig sein, mehrere Technologien zu kombinieren, um die Funktionalität zu verbessern. Durch die Kombination verschiedener Technologien können Lücken in den Fähigkeiten einer Technologie durch eine andere Technologie ausgeglichen werden.

Als Beispiel könnte bei der Entwicklung eines Sensorpakets für ein autonomes Fahrerloses Transportfahrzeug (FTF) für den Einsatz im Freien ein LiDAR-Sensor zur Erkennung von Bewegungen oder Hindernissen über große Entfernungen in Kombination mit einer Stereo-Tiefenkamera eingesetzt werden, um eine zuverlässige Tiefenerfassung im Nahbereich zu ermöglichen.

Wenn Sie ein Sensorpaket für ein ähnliches FTF entwerfen möchten, das für den Einsatz in einem Lagerhaus mit geringen Lichtverhältnissen konzipiert ist, könnte die Tiefenkamera durch eine ToF-Kamera ersetzt werden. ToF-Kameras können dabei durch Ihre aktive Beleuchtung in Umgebungen mit schwachen Lichtverhältnissen und somit wenig Störlicht bessere Ergebnisse erzielen

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass wie bei allen Tiefenerkennungs-Technologien auch ToF-Kameras einige Nachteile und Einschränkungen aufweisen. Dennoch können ToF-Kameras aufgrund ihrer Fähigkeiten im richtigen Kontext sehr nützlich sein.

Vorteile von ToF-Kameras

In der Regel verfügen ToF-Kameras über keine beweglichen Teile, insbesondere bei indirekten ToF-Kameras, die eine diffuse Laserbeleuchtung verwenden. Es gibt jedoch einige direkte Time-of-Flight-Kameras, die MEMS-Chips (Micro Electro-Mechanical Systems) oder andere bewegliche Teile zur Ausrichtung des Lasers verwenden.

Abgesehen davon sind alle ToF-Kameras kompakt, leicht und vergleichsweise kostengünstig. Je nach der benötigten Laseremitter-Leistung können sie so kompakt gebaut werden, dass sie in sehr kleine Geräte, wie zum Beispiel Handys, integriert werden können.

ToF-Kameras können unter sehr schlechten Lichtverhältnissen oder sogar in völliger Dunkelheit betrieben werden, da sie über eine eigene Laserbeleuchtung verfügen. Mit Ausnahme von Structured-Light-Kameras weisen ToF-Kameras eine höhere Genauigkeit als andere Tiefenerkennungs-Technologien auf und bieten eine Genauigkeit von 1 mm bis 1 cm, je nach Betriebsbereich der Kamera.

Insbesondere indirekte ToF-Kameras liefern sehr hochauflösende und originalgetreue Tiefeninformationen mit einer Auflösung von bis zu 640×480 Pixeln (VGA-Auflösung).

iToF-Kameras arbeiten sehr schnell und können Tiefenerkennungsdaten mit bis zu 60 Bildern pro Sekunde liefern, da sie die gesamte Szene in einer einzigen Aufnahme scannen. Daher sind sie sehr nützlich für eine Vielzahl von Hochgeschwindigkeits- oder Echtzeitanwendungen, bei denen eine kontinuierliche Rückmeldung erforderlich ist.

Im Vergleich zu anderen Tiefenerkennungs-Technologien wie Structured-Light-Kameras und LiDAR-Sensoren sind ToF-Kameras kostengünstiger sowohl in der Herstellung als auch in der Beschaffung.

Nachteile von ToF-Kameras

Nichtsdestotrotz haben ToF-Kameras auch einige Einschränkungen und Nachteile. In Situationen mit hellem Umgebungslicht oder im Freien können die von der ToF-Kamera ausgesandten Lichtinformationen durch das Umgebungslicht verfälscht werden und zu ungenauen Ergebnissen führen.

Darüber hinaus können ToF-Kameras durch stark reflektierende Oberflächen gestört werden. Die Verwendung von retroreflektierenden Materialien, wie sie in Sicherheitswesten verwendet werden, kann besonders problematisch sein, da sie das Licht nicht wie gewöhnliche Oberflächen streuen oder reflektieren.

Bild: Helles Sonnenlicht und retroreflektierende Materialien, wie sie auf Sicherheitswesten zu finden sind, können die Sensoren von ToF-Kameras verwirren 

Um Tiefenkarten ohne Artefakte zu generieren, müssen Time-of-Flight-Kameras isoliert oder so eingesetzt werden, dass sich die von ihren Laseremitter abgedeckten Sichtbereiche nicht überschneiden, wenn mehrere Kameras verwendet werden. Andernfalls kann das Licht anderer ToF-Kamera-Laseremitter in der resultierenden Tiefenkarte Artefakte erzeugen.

Für Anwendungen im Außenbereich oder in Situationen, in denen mehrere Tiefenkameras im selben Bereich eingesetzt werden sollen, sind andere Tiefenerkennungs-Technologien wie Stereo-Tiefenkameras effektiver. Allerdings müssen auch bei Stereo-Tiefenkameras Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, wenn mehrere Kameras eingesetzt werden, da viele von ihnen auf ein projiziertes Laserlichtmuster zur Berechnung der Tiefe von homogenen oder strukturlosen Oberflächen angewiesen sind.

Obwohl ToF-Kameras einige Nachteile aufweisen können, besitzen sie dennoch ein hohes Potenzial für eine Vielzahl von Anwendungen. In der Tat wird die ToF-Technologie dank kontinuierlicher Verbesserungen immer robuster und flexibler. Ein Beispiel dafür ist der kürzlich von Sony Semiconductor Solutions eingeführte IMX570 ToF-Sensor, der mit einem “Pixel Drive”-Verarbeitungsschaltkreis ausgestattet ist, um die Auswirkungen von unerwünschtem Umgebungslicht zu minimieren. Dies verbessert die Genauigkeit und den effektiven Betriebsbereich des Sensors in stark beleuchteten Umgebungen oder im Freien bei hellem Sonnenschein.

Erforschen Sie ToF für sich selbst

Wenn Sie die Time-of-Flight-Technologie für Ihr Projekt oder Ihre Anwendung einsetzen möchten, können wir Ihnen dabei helfen.

FRAMOS hat ein Entwicklungsset für ToF-Kameras für Ingenieure entwickelt, die sich mit der Technologie der Time-of-Flight-Systeme auseinandersetzen oder ToF-Kameras für Machine-Vision-Anwendungen entwickeln möchten. Das FSM-IMX570-Entwicklungskit bietet einen robusten Rahmen, um bei der Entwicklung eines funktionierenden Prototyps eines indirekten Time-of-Flight (iToF)-Kamerasystems auf Basis der branchenführenden iToF-Technologie von Sony zu unterstützen.

Wenn Sie daran interessiert sind, die Time-of-Flight-Technologie zu evaluieren, bietet das FSM-IMX570 DevKit eine einfache Möglichkeit, diese Technologie auszuprobieren oder Ihren eigenen Prototyp eines Kamerasystems zu entwickeln. Hier finden Sie die Spezifikationen des Entwicklungskits.

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