ToF、ステレオビジョン、構造化光の違いとは？

Time-of-Flight（ToF）の仕組み

Time-of-Flightカメラは、アクティブ距離計測の原理に基づいて動作します。カメラは光を照射し、その光（通常はレーザー光）が対象物に到達してセンサーへ戻るまでの時間を測定します。この情報を基に対象物までの距離を算出します。

ToF方式には、大きく分けて直接方式と間接方式があります。直接ToF方式では、光が対象物まで往復する実際の時間を測定します。一方、産業用ToFカメラでは、一般的に間接Time-of-Flight（iToF）方式が採用されています。この方式では、照射した光と受光した光との位相差から距離を算出します。

ToFシステムの大きな特長は、すべての画素について同時に深度情報を取得できることです。iToFでは、高解像度かつ非常に高いフレームレートでの撮影が可能です。そのため、ToFカメラは高速な工程や移動体の計測に特に適しています。

ToFの強み

• リアルタイムでの高速3D取得
• 1回の撮影で全画素の深度情報を取得
• 移動体の計測に適している
• 比較的容易にシステムへ統合できる
• 広い測定範囲で安定した距離測定が可能
• 多くの産業用3Dアプリケーションでコスト効率に優れる

ToFの制約

• 高解像度ステレオビジョンや構造化光システムと比べると、精度は一般的に低い
• マルチパス反射の影響を受ける場合がある
• 反射率の高い表面では測定品質が低下することがある
• アクティブ照明に依存する
• 測定距離はセンサー性能や照明技術に制約される

ステレオビジョンの仕組み

ステレオビジョンは人間の両眼視をモデルとしており、異なる角度から同じシーンを撮影するカメラを少なくとも2台使用します。深度情報は、画像間の差異を三角測量によって解析することで算出されます。対象物までの距離は、カメラ位置間の幾何学的な関係に基づいて求められます。

パッシブステレオビジョンでは、既存の画像特徴のみを利用して深度を算出します。この方法は、対象物表面に十分な形状的特徴やテクスチャがある場合に特に有効です。

テクスチャが乏しい表面や単色の対象物、反射性の高い表面には、アクティブステレオビジョンシステムがよく使用されます。この方式では、プロジェクターがランダムまたは規則的なドットパターンを対象シーンに投影することで、厳しい条件下でも安定した深度計算を可能にします。

このため、アクティブステレオビジョンは従来のステレオビジョンと構造化光との中間的な役割を果たします。最新の産業用3Dカメラは、三角測量の利点と意図的なテクスチャ投影を組み合わせています。

ステレオビジョンの強み

• 高い測定精度と堅牢性
• 高密度で詳細な点群データ
• さまざまな測定レンジに柔軟に対応可能
• ビンピッキングに最適
• アクティブステレオはテクスチャの少ない（滑らかな表面や単色の）対象物にも対応可能

ステレオビジョンの制約

• ToFシステムと比べてキャリブレーションが複雑
• 計算負荷が高い
• パッシブステレオでは十分な表面テクスチャが必要
• オクルージョン（遮蔽）領域ではデータ欠損が生じる可能性がある
• 移動体は測定品質に影響を与える場合がある
• 周囲光の影響を受けやすい

構造化光の仕組み

構造化光システムは、規則的な光パターンを対象物に投影します。一般的なパターンには、縞模様、ライン、グリッドなどがあります。その後、カメラが対象物表面で変形したパターンを撮影します。

投影したパターンの形状と位置が既知であるため、対象物の形状を高精度に算出できます。構造化光も三角測量に基づく方式ですが、既知のパターンを能動的に投影する点が特徴です。

制御されたパターン投影によって、非常に詳細な表面再構築が可能になります。そのため、構造化光は測定や検査用途で広く利用されています。

構造化光の強み

• 非常に高い測定精度
• 表面形状を高精細に再現可能
• 高解像度の3Dデータを取得可能
• 測定および検査用途に最適
• 小型から中型の対象物で優れた結果を実現

構造化光の制約

• 強い周囲光の影響を受けやすい
• 移動体の測定には不向き
• 一般的に測定レンジが限定される
• 追加のプロジェクターが必要
• システム構成が複雑

どの3D方式を選択すべきか？

リアルタイムで高速に深度データを取得する必要があり、さらに移動体も確実に検出したい場合は、ToFが第一候補となることが多いです。この方式は、1回の撮影で深度情報を取得でき、比較的低コストで導入できるため、ロボティクス、物流、自動化分野に適しています。

高解像度の点群データや高精度な3Dデータが求められる場合、ステレオビジョンは精度と柔軟性のバランスに優れた選択肢となります。また、アクティブステレオビジョンは表面テクスチャの少ない対象物も安定して認識でき、ビンピッキング用途で広く採用されています。

最高レベルの測定精度や非常に高精細な表面再構築が必要な場合は、構造化光がよく使用されます。この方式は、計測、試験、検査用途に特に適しています。

最適な3D方式の選択は、それぞれの用途の要件によって決まります。重要な判断基準としては、精度、速度、測定距離、周囲環境などが挙げられます。

IDSの製品はこれらの方式をどのようにサポートしていますか？

IDSは、Time-of-Flight方式とアクティブステレオビジョンシステムの両方の3Dカメラを提供しており、幅広い産業用3Dアプリケーションに対応するソリューションを実現しています。

IDSは構造化光のアプリケーションにどのように対応していますか？

従来は構造化光システムで実現されていた多くのアプリケーションが、現在ではアクティブステレオビジョンによっても実現可能になっています。Ensensoシステムは、三角測量とテクスチャ投影を組み合わせることで、ビンピッキング、ロボティクス、産業用3D検査など幅広い用途に対応しています。

適切な3D方式の選定や具体的なアプリケーションの実装についてご不明な点がございましたら、当社チームまでお気軽にご相談ください。