Система 3D-зрения от Texas Instruments

Системы машинного зрения с каждым днем становятся все более востребованными. Они применяются в датчиках движения, в системах защиты от столкновений, в игровой индустрии для распознавания жестов и во многих других приложениях. Сейчас существует несколько основных технологий машинного зрения. Одну из них предлагает компания Texas Instruments. Главной особенностью новой системы является возможность создавать трехмерные изображения при высокой стойкости к внешним источникам фонового освещения.

Рис. 1.	Система 3D-зрения от Texas Instruments.

Наиболее простая реализация машинного зрения предлагает построение двухмерных изображений. Обычно для этого используется источник света и приемник отраженного излучения. Источник формирует импульсный световой поток, который отражается от объектов и фиксируется приемником. При этом расстояние до объекта определяется по величине интенсивности вернувшегося пучка излучения.

Такая технология является достаточно простой, дешевой, а главное эффективной. Тем не менее, у нее есть несколько недостатков. Одним из них является сильная зависимость от внешних источников фонового излучения. Расстояние до одного и того же объекта, освещенного с разных сторон, может быть по-разному определено. На рисунке 2 лицо человека освещено с разных сторон, что может исказить результаты измерения. Впрочем, для самых простых двухмерных систем машинного зрения это не всегда критичный недостаток (например, для датчиков движения). Однако для некоторых приложений важно точно измерять расстояние – требуется полноценное трехмерное зрение.

Рис. 2.	Один и тот же объект при разном освещении – проблема для систем механического зрения.

Компания Texas Instruments предлагает использовать технологию измерения времени пролета TOF (Time Of Flight) для построения трехмерных изображений. Эта технология хорошо известна всем, кто имел дело с современными датчиками потока (счетчики воды, газа и т. д.). В таких датчиках измеряется время распространения прямого и обратного ультразвуковых сигналов. И по полученной разнице определяется скорость потока. Нечто подобное, но для лазерных световых сигналов предлагает использовать и компания Texas Instruments.

Как и в рассмотренном выше примере, измерительная система включает в себя источник и приемник излучения (Рис. 3). Источник излучения – лазер формирует импульсные сигналы. Отраженные пучки фиксируются фотоприемниками. Однако в отличие от двухмерных систем происходит измерение не только амплитуды сигналов, но и время пролета света.

Рис. 3.	Принцип действия TOF-системы 3D зрения.

Измерение времени распространения света происходит с помощью оконной системы (Рис. 4): принятый сигнал накладывается на базовые интервалы (С1, С2, С3, С4), генерируемые датчиком. Интервалы сдвинуты друг относительно друга на 90°. Это позволяет определять фазы сигналов, а по значениям фаз вычислять интенсивность сигнала, расстояние до объекта, значение фонового засвета. При этом для устранения алайсинга (выражается в неверном определении расстояния до объекта из-за высокой частоты исходного сигнала излучателя) используется многочастотная модуляция излучения, а результат вычисляется исходя из совпадения измерений на равных частотах.

Рис. 4.	Временные диаграммы сигналов TOF-системы.

Чтобы понять, какая картинка получается в результате использования данного метода, можно рассмотреть пример двухмерного монохромного изображения, в котором каждому пикселу соответствует расстояние до объекта (Рис. 5). Чем дальше объект, тем темнее цвет.

Рис. 5.	Наглядное представление 3D-изображения в 2-хмерной форме.

Конечно, все это достаточно красиво выглядит на бумаге, а вот реализовать данную идею не так-то просто, тем не менее, недавно это сделать удалось. Компания Texas Instruments разработала связку микросхем, которые позволяют с помощью TOF-технологии создавать трехмерные изображения: OPT8241 TOF-датчик и TOF-контроллер OPT9221.

OPT8241 – TOF-датчик, который объединяет в себе чувствительную матрицу, АЦП, генератор временных интервалов, коммуникационные интерфейсы, ядро с программируемыми настройками. Именно эта микросхема реализует описанную выше TOF-технологию.

OPT8241 формирует модулированный сигнал для лазера, задает временные интервалы, принимает отраженный сигнал, проводит определение временных величин. Высокая скорость измерений позволяет формировать разрешение QVGA320×240 с частотой кадров до 120 кадров/с.

Датчик OPT8241 имеет возможность глубокой настройки параметров для решения задач оптимизации (оптимизация мощности, точности, скорости, минимизации шума и др.).

На выходе OPT8241 формирует поток «сырых» данных, который по быстрому LVDS-интерфейсу поступает во внешний процессор для дальнейшей обработки. Именно для этой цели был создан TOF-контроллер OPT9221.

OPT9221 – TOF-контроллер, который производит обработку потока данных от TOF-датчика OPT8241. Из входного потока первичных цифровых данных OPT9221 формирует трехмерное изображение 320×240, где каждому пикселу ставится в соответствие расстояние до этой точки.

Кроме расстояний OPT9221 выдает данные об интенсивности сигналов, величине внешнего освещения и т.д. Получаемая информация по параллельному интерфейсу передается далее на системный процессор.

Для продвижения этой технологии компания Texas Instruments предложила готовое решение – референсный набор, который включает отладочный набор OPT8241-CDK-EVM и плату контроллера Rico от компании MYIR (Рис. 6, 7).

Рис. 6.	Оценочный набор для систем трехмерного зрения от exas Instruments.

Структура этой измерительной системы, по сути, была описана выше (Рис. 6). Основа схемы – плата датчика на базе связки микросхем TOF-датчика OPT8241 и TOF-контроллера OPT9221. Кроме того, на плате датчика устанавливается плата излучателя. Измерение фаз сигналов производит OPT8241, далее поток данных обрабатывается с помощью OPT9221.

OPT8241-CDK-EVM содержит чип USB-приемопередатчика FX2 от Cypress. Он позволяет подключать дополнительную плату центрального процессора, который необходим для конечной обработки информации. В данном случае используется контроллер Rico от компании MYIR. Этот контроллер построен на базе мощного процессора AM437xSitara с ядром ARM® Cortex®-A9 от Texas Instruments.

Схема соединения блоков достаточно проста. Необходимо соединить отладочный набор OPT8241-CDK-EVM и контроллер Rico с помощью стандартного USB 2.0 кабеля. Для вывода информации используется дисплей, подключаемый к HDMI-порту контроллера Rico.

Рис. 7.	Внешний вид блоков системы трехмерного зрения от Texas Instruments.

В качестве примера можно привести изображение, получаемое с помощью данной системы (Рис. 8). Дальнейшая обработка без труда позволяет обнаруживать человека на данном снимке, причем уровень освещенности в комнате практически не имеет никакого значения.

Рис. 8.	Пример обнаружения человека в комнате.

Предложенная TOF-технология машинного зрения хорошо зарекомендовала себя при решении задач по обнаружению людей в помещении и распознаванию жестов. Она без сомнения найдет свое применение в различных приложениях: продвинутые системы климат-контроля, системы безопасности на элеваторах, игровые системы, роботы и т.д.

Характеристики микросхемы OPT8241:

• тип: TOF-датчик с разрешением QVGA;
• разрешение: 320×240;
• размер пиксела: 15 мкм;
• частота кадров: 120 кадров/с;
• выходной формат: 12-бит амплитуда, 12–бит фаза, 4-бита внешнее освещение;
• выходной коммуникационный интерфейс: совместим с микросхемой OPT9221;
• интерфейсы: LVDS, I2C;
• рабочее напряжение: 3.3 В, 1.8 В, 1.5 В;
• диапазон рабочих температур: 0…70 °C;
• корпусное исполнение: 8.757 × 7.859 × 0.700 мм COG-78.

Характеристики микросхемы OPT9221:

• тип: TOF-контроллер;
• частота кадров: 120 кадров/с;
• выходные данные: расстояние до объектов;
• входной коммуникационный интерфейс: совместим с микросхемой OPT8241;
• интерфейсы: с памятью 50 Мгц DDR, LVDS, I2C, DVP, SSI;
• рабочее напряжение: 3.3 В, 2.5 В, 1.8 В, 1.2 В;
• диапазон рабочих температур: 0…85 °C;
• корпусное исполнение: 256-выводной NFBGA, 9×9 мм.

Посмотреть подробнее характеристики TOF-датчиков от Texas Instruments