Eine neuartige 3D-Kamera mit Elektroabsorptionsmodulator (DREAM)
Kurzfassung
Die DREAM-Kamera verwendet ein neuartiges ToF-Verfahren (Time-of-Flight) für 3D-Bildaufnahmen. Diese Technologie erlaubt es einen Arbeitsbereich von zehn Zentimetern bis zu mehreren Metern zu nutzen, indem eine Laserlichtquelle, eine Monochromkamera und neuartige Elektroabsorptionsmodulatoren (EAMs) verwendet werden. Die zusätzliche Verwendung von modernster Software führt zu einer verbesserten Präzision und Tiefenauflösung. Die Anwendungsbereiche reichen von der Robotik über die Prozessüberwachung bis hin zur erweiterten Realität.
Vorteile
- Variabler Arbeitsbereich von 10 cm bis zu mehreren Metern
- Verringerte Störungsanfälligkeit bei Mehrfachreflexionen, Bewegungsartefakte und Rauschen
- Hohe laterale Auflösung durch resonanten Elektroabsorptionsmodulatoren
- Moderne Softwareansätze für Fehlerreduzierung und Tiefenbildgenauigkeit
- Vergleichbare Qualität der Tiefenauflösung zu bestehenden Technologien, ohne Verwendung komplexe Modulationsformen und umfangreiche Bildverarbeitung
Anwendungsbereiche
Aufgrund ihres vielseitigen Arbeitsbereichs bietet die DREAM-Kamera Anwendungsmöglichkeiten in der Robotik, Prozessüberwachung und -steuerung. Ihr kompaktes Design ermöglicht zusätzlich die Integration in bestehende Kamerasysteme, wodurch sie sich für mobile Geräte für die der virtuellen und erweiterten Realität eignet. Eine weitere potenzielle Anwendung für diese Erfindung wäre die Medizintechnik. Entscheidend dafür ist der Stromverbrauchs und der Rechenleistung, wobei die Möglichkeit besteht, einfache Fehlerkorrekturen etwa auf einem Smartphone und komplexere Korrekturen auf separaten Servern zu implementieren. Diese Vorgehen eignet sich insbesondere in stationären industriellen Umgebungen.
Hintergrund
Die optische 3D-Bilderfassung hat in den letzten Jahren in der Anwendung sowohl in der Industrie als auch bei Privatpersonen stark an Bedeutung gewonnen. Das ToF-Verfahren (Time-of-Flight), insbesondere mit dem Ansatz des DREAM-Projekts, bietet eine vereinfachte und dennoch echtzeitfähige Methode zur 3D-Bilderfassung. Die Erfindung kombiniert eine Laserlichtquelle, eine Monochromkamera und einen mit dem Laser synchronisierten, hochfrequenzmodulierten Global Shutter, um den ToF-Prozess zu verbessern.
Problemstellung
3D-Kameras kämpfen mit Problemen wie Mehrfachreflexionen, Bewegungsartefakten und Rauschen, die die Datengenauigkeit negativ beeinflussen. Insbesondere für mobile Geräte muss zusätzlich der Stromverbrauch und die Anforderungen an die Rechenleistung verbessert werden da hier leichte und energieeffiziente Lösungen erforderlich sind.
Lösung
Forscher der Universität Ulm haben eine neuartige, zum Patent angemeldete, innovative Lösung zur Überwindung dieser Herausforderungen entwickelt. Die DREAM-Erfindung nimmt sich dieser Herausforderungen durch die Entwicklung optoelektronischer Elektroabsorptionsmodulatoren (EAMs) und deren Integration in einen Hardwareaufbau zur ToF-Bilderfassung, an. Für die Datenauswertung und Fehlerkorrektur werden moderne Softwareansätze, einschließlich Deep Learning, eingesetzt. Die hier vorgestellte Kamera weist im Vergleich zu bestehenden Technologien eine verbesserte Präzision und Tiefenauflösung auf.
![Abbildung 1: Links: Cornell-Box mit einem mit einem 3D-Drucker hergestellten Objekt, dass mit einem 3D Drucker hergestellt wurde. Ddie Cornell-Box ist alsein Würfel mit einer Kantenlänge von jeweils 50 cm realisiert. Das Stanford-Bunny-Objekt ist etwa 10 cm hoch. Rechts: Lichtintensität an der Kamera für verschiedene Phasenverschiebungen. Die horizontalen und vertikalen Achsen zählen geben die Kamerapixel an. Der Graustufenbalken ist die zeigt die Intensität in beliebigen Einheiten. Die Abbildung enthält keine Tiefeninformationen [R. Michalzik et al, Institut für Funktionelle Nanosysteme, Univerität Ulm]](/fileadmin/user_upload/img/Technologieangebote/20_025_Abbildung.png "Abbildung 1: Links: Cornell-Box mit einem mit einem 3D-Drucker hergestellten Objekt, dass mit einem 3D Drucker hergestellt wurde. Ddie Cornell-Box ist alsein Würfel mit einer Kantenlänge von jeweils 50 cm realisiert. Das Stanford-Bunny-Objekt ist etwa 10 cm hoch. Rechts: Lichtintensität an der Kamera für verschiedene Phasenverschiebungen. Die horizontalen und vertikalen Achsen zählen geben die Kamerapixel an. Der Graustufenbalken ist die zeigt die Intensität in beliebigen Einheiten. Die Abbildung enthält keine Tiefeninformationen [R. Michalzik et al, Institut für Funktionelle Nanosysteme, Univerität Ulm]")
Abbildung 1: Links: Cornell-Box mit einem mit einem 3D-Drucker hergestellten Objekt, dass mit einem 3D Drucker hergestellt wurde. Ddie Cornell-Box ist alsein Würfel mit einer Kantenlänge von jeweils 50 cm realisiert. Das Stanford-Bunny-Objekt ist etwa 10 cm hoch. Rechts: Lichtintensität an der Kamera für verschiedene Phasenverschiebungen. Die horizontalen und vertikalen Achsen zählen geben die Kamerapixel an. Der Graustufenbalken ist die zeigt die Intensität in beliebigen Einheiten. Die Abbildung enthält keine Tiefeninformationen [R. Michalzik et al, Institut für Funktionelle Nanosysteme, Univerität Ulm]