Mit der Time of Flight Technologie lassen sich mit 2D-Bildaufnahmen und einem zusätzlichen Lasersensor 3D-Bilder mit Tiefeninformationen erzeugen.

Bild: iStock; wacomka

3D-ToF-Technologie (Promotion) ToF oder 3D-Bilderfassung für die Industrie

03.11.2021

Time of Flight (ToF) ist eine Technologie, mit der 3D-Bilder aufgenommen werden. Dabei handelt es sich um 2D-Aufnahmen, die eine weitere Dimension in Form von Farben enthalten. Diese Farben aus dem Farbspektrum von violett nach rot (380 bis 750 nm) stehen für die jeweiligen Entfernungen der Objekte zur Kamera.

Nun eignen sich diese Farben nicht für die Automatisierungstechnik, da zu geringe Abstufungen dargestellt werden. Aber sie veranschaulichen für den Benutzer die Entfernung. Je nach benutztem ADC (typisch sind 8 bis 14 bit) werden die entsprechenden Entfernungsdaten zu jedem Bildpunkt als zusätzliche Daten gespeichert.

Funktionsweise von ToF

Grundsätzlich sind drei verschiedene Funktionsblöcke nötig: eine Lichtquelle, ein Bildaufnehmer und eine Recheneinheit, die die Differenz zwischen ausgehendem und eingehenden Lichtinformationen berechnet. Die Lichtquelle ist ein Laser mit einer Wellenlänge von 850 oder/und 940 nm. Um eine möglichst große Fläche abzudecken, wird das Licht durch einen Difusor geschickt und dabei gestreut. Zwei unterschiedliche Methoden – kontinuierlich oder gepulst – kommen dabei zum Einsatz.

Es ist wichtig, auf den Sicherheitsaspekt zu achten, vorrangig um Augenverletzungen durch zu große Laserenergie zu vermeiden. Dazu ist in den meisten Fällen eine Fotodiode mit der Laserdiode gekoppelt. Das ausgesendete Licht wird von der Umgebung reflektiert und auf den Bildsensor zurückgeworfen. Hierbei werden entweder ein CCD- oder ein CMOS-Sensor eingesetzt, deren Auflösung mindestens VGA oder besser ein Megapixel betragen sollte.

Die Recheneinheit vergleicht für jeden einzelnen Bildpunkt die Dauer vom Aussenden durch die Laserdiode mit dem Eintreffen auf dem Bildsensor und ergibt so einen Zeitwert zu jedem Bildpixel im Speicher. Zu jedem 2D-Bildpunkt ergibt sich eine Entfernung. Diese wird mit der Formel D = c * t / 2 berechnet. Hierbei ist D die Distanz zum Objekt in Meter [m], c die Lichtgeschwindigkeit in [m/s] und t die Zeit, die das Licht benötigt in [s].

Anwendungsgebiete

3D-ToF bietet ein breites Feld für Anwendungen in den verschiedenen Bereichen. Im Automotive-Bereich sind Anwendungen im Außenbereich sowie im Innenraum denkbar. So können Assistenten zur Erkennung des toten Winkels durch ToF realisiert werden oder Einparkhilfen, die derzeit meist mit Ultraschall Sensoren arbeiten.

Im Innenraum kann eine Fahrerüberwachung realisiert werden, in dem die Position des Kopfs erfasst und ausgewertet wird und somit der gefährliche Sekundenschlaf oder ein Herzinfarkt des Fahrers erkannt werden. Die Position der Hände und des Kopfs kann auch eine Ablenkung durch beispielsweise die Bedienung eines Mobiltelefons anzeigen, was bekanntlich während der Fahrt vermieden werden sollte. In der Industrie sind vielfältige Anwendungen denkbar. So sind erste Ideen zum Einsatz an Robot/Cobot-Armen angedacht.

Die Kamera erkennt die Entfernung von Personen zum gefährlichen Aktionsbereich des Robot/Cobot-Arms und kann die Geschwindigkeit des Arms reduzieren. So soll ein Schlag vermieden werden und die Anlage direkt in den „Not Stop“-Modus geht. Dies erhöht die Sicherheit im Arbeitsumfeld und verringert Produktionsunterbrechungen.

ToF-Anwendungen und mehr

Mit den Informationen einer 3D-ToF-Kamera können auch Volumenkörper berechnet werden und damit etwa die Beladung von Paketlieferfahrzeugen oder die Lagerhaltung optimiert werden. In der Medizin können die Position von Patienten oder Geräten einfacher erkannt werden. Dies käme einer automatischen Patientenüberwachung gleich. Es gibt bereits erste Versuche, den Herzschlag zu erkennen. Das könnte zu einer kabellosen Überwachung des Patienten führen und damit den Komfort erhöhen würde.

In der Gebäudetechnik sind Personenzählungen als mögliche Anwendung im Gespräch. Damit könnten zum Beispiel die Auslastung von Konferenzräumen und einhergehend die Regelung der Klimaanlage oder von Beleuchtungsszenarien ermöglicht werden.

Mögliche andere Anwendungen könnten bei der Personenerfassung in Aufzügen oder in der Verkehrstechnik das Zählen von Personen in Zügen oder Bahnsteigen sein. Zuletzt sei auch noch der private Bereich erwähnt wie etwa Audiosysteme, insbesondere 3D-Soundsysteme, die ohne Rücklautsprecher auskommen sollen. ToF kann den Bereich zwischen dem Lautsprecher und dem Audiokonsumenten überwachen und mögliche Hindernisse im Signalweg erkennen, um die Audiosignale nachzuregeln beziehungsweise anzupassen.

Fazit

Dieser Artikel gibt nur eine kurze Übersicht über mögliche Anwendungen und eine vereinfachte Beschreibung der Funktion der hoch interessanten 3D-ToF-Technologie. Den Anwendungen scheinen keine Grenzen gesetzt zu sein. Entwickler können Ihrer Kreativität freien Lauf lassen, um Anwendungen zu finden und umzusetzen.

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