ToF, 스테레오 비전, 구조광의 차이점은 무엇일까요?

ToF(Time-of-flight)는 어떻게 작동할까요?

ToF(Time-of-flight) 카메라는 능동형 거리 측정 원리로 작동합니다. 카메라는 빛을 방출하며, 그 빛(주로 레이저)이 물체에 도달했다가 센서로 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정합니다. 이 정보는 물체까지의 거리를 계산하는 데 사용될 수 있습니다.

원칙적으로 ToF(Time-of-flight)는 직접 방식과 간접 방식으로 나뉩니다. 직접 ToF 방식에서는 빛이 물체에 도달했다가 돌아오는 데 필요한 실제 시간이 측정됩니다. 그러나 산업용 ToF 카메라는 소위 간접 ToF(iToF) 방식을 기반으로 하는 경우가 많습니다. 이 방식에서는 방출된 빛 신호와 수신된 빛 신호 사이의 위상차를 바탕으로 거리를 계산합니다.

ToF 시스템의 중요한 장점은 모든 픽셀에 대한 깊이 정보를 동시에 캡처할 수 있다는 점입니다. iToF 방식을 사용하면 매우 높은 프레임률로 고해상도 이미지를 얻을 수 있습니다. 이러한 특징 덕분에 ToF 카메라는 빠른 공정과 움직이는 물체에 특히 적합합니다.

Time-of-Flight의 장점

• 실시간 고속 3D 취득
• 단일 이미지 내 모든 픽셀의 깊이 정보 제공
• 움직이는 물체에 최적화
• 비교적 간편한 시스템 통합
• 넓은 작업 범위에서 안정적인 거리 측정
• 다양한 산업용 3D 어플리케이션을 위한 경제적인 솔루션

Time-of-Flight의 한계점

• 고해상도 스테레오 또는 구조광 시스템에 비해 일반적으로 낮은 정확도
• 다중 경로 효과로 측정 결과에 영향을 줄 수 있음
• 반사 표면으로 인한 측정 품질 저하
• 능동형 조명에 대한 의존성
• 센서 및 조명 기술에 따른 측정 거리의 한계

스테레오 비전은 어떻게 작동할까요?

스테레오 비전은 인간의 시각에 기반을 두고 있으며, 서로 다른 각도에서 동일한 장면을 포착하는 최소 두 대의 카메라를 사용합니다. 깊이는 삼각측량법을 사용하여 이미지 간의 차이로부터 계산됩니다. 물체의 거리는 카메라 위치 간의 기하학적 관계를 바탕으로 결정됩니다.

수동형 스테레오 비전에서 깊이 측정은 기존의 이미지 특징에만 기반하여 수행됩니다. 이 방식은 물체의 표면에 충분한 구조나 텍스처가 있을 때 특히 잘 작동합니다.

능동형 스테레오 비전 시스템은 텍스처가 부족하거나, 단색이거나, 반사되는 표면에 자주 사용됩니다. 이 과정에서 프로젝터가 장면에 무작위 패턴이나 정의된 점 패턴을 투사하여, 까다로운 조건에서도 깊이 계산이 안정적으로 작동하도록 합니다.

따라서 능동형 스테레오 비전은 전통적인 스테레오 비전과 구조광 사이의 간극을 메워줍니다. 현대 산업용 3D 카메라는 삼각측량의 장점과 타겟형 텍스처 투사 방식을 결합합니다.

스테레오 비전의 장점

• 높은 측정 정확도 및 견고성
• 상세한 포인트 클라우드
• 다양한 측정 범위에 대한 유연한 대응
• 빈 피킹에 이상적
• 능동형 스테레오의 경우 텍스처가 부족한(매끄럽거나 단색의) 물체에서도 작동

스테레오 비전의 한계점

• ToF 시스템에 비해 캘리브레이션이 더 복잡함
• 높은 연산 부하
• 수동형 스테레오 방식은 충분한 표면 텍스처가 필요함
• 가려진 영역으로 인해 데이터에 공백이 발생할 수 있음
• 움직이는 물체는 측정 품질에 영향을 미칠 수 있음
• 주변 광원에 더 민감함

구조광 방식은 어떻게 작동할까요?

구조광 시스템은 물체에 미리 정의된 광 패턴을 투사합니다. 일반적인 패턴으로는 줄무늬, 선 또는 격자 구조가 있습니다. 이후 카메라가 물체 표면에서 이러한 패턴의 변형을 촬영합니다.

투사된 패턴의 형태와 위치를 알고 있기 때문에, 물체의 형상을 높은 정밀도로 계산할 수 있습니다. 구조광 역시 삼각측량을 기반으로 하지만, 추가적으로 미리 정해진 패턴을 능동적으로 투사합니다.

제어된 투사를 통해 물체 표면을 매우 정밀하게 재구성할 수 있습니다. 따라서 구조광은 측정 및 검사 분야에서 널리 사용됩니다.

구조광의 장점

• 매우 높은 측정 정확도
• 표면의 상세한 재구성
• 높은 해상도의 3D 데이터
• 측정 및 검사 작업에 적합
• 소형 및 중형 물체에서 우수한 결과 제공

구조광의 한계점

• 강한 주변광에 민감함
• 움직이는 물체는 측정이 어려움
• 일반적으로 측정 범위가 제한적임
• 별도의 프로젝터가 필요
• 시스템 구성이 상대적으로 복잡함

어떤 3D 방식을 선택해야 할까요?

실시간으로 빠르게 깊이를 획득해야 하고 움직이는 물체도 안정적으로 감지해야 하는 경우, ToF(Time-of-Flight) 방식이 가장 먼저 고려되는 경우가 많습니다. 이 방식은 한 번의 촬영만으로 깊이 데이터를 제공하며, 비교적 비용 효율적으로 구현할 수 있고 로봇, 물류 및 자동화 분야의 애플리케이션에 적합합니다.

고해상도 포인트 클라우드와 정밀한 3D 데이터가 필요한 경우, 스테레오 비전은 정확도와 유연성 사이에서 가장 우수한 균형을 제공하는 경우가 많습니다. 능동형 스테레오 비전 시스템은 표면의 질감이 거의 없는 물체도 안정적으로 감지할 수 있으며, 빈 피킹 분야에서도 널리 활용되고 있습니다.

최고 수준의 측정 정확도와 특히 정밀한 표면 재구성이 요구되는 경우, 구조광 방식이 자주 사용됩니다. 이 방식은 특히 측량, 시험 및 검사 작업에 적합합니다.

적합한 3D 측정 방식의 선택은 해당 애플리케이션의 요구사항에 따라 결정됩니다. 여기서 중요한 요소로는 정확도, 속도, 측정 거리 및 주변 환경 조건 등이 있습니다.

IDS의 어떤 제품이 이러한 방식을 지원하나요?

IDS는 ToF(Time-of-Flight) 방식과 능동형 스테레오 비전 시스템 방식의 3D 카메라를 모두 제공하여, 다양한 산업용 3D 애플리케이션을 위한 솔루션을 구현할 수 있습니다.

IDS는 구조광 애플리케이션을 어떻게 지원하나요?

기존에는 구조광 시스템으로 구현하던 많은 애플리케이션을 이제는 능동형 스테레오 비전으로도 구현할 수 있습니다. 삼각 측량과 텍스처 투사를 결합하여, Ensenso 시스템은 빈 피킹, 로봇, 산업용 3D 검사와 같은 다양한 애플리케이션을 지원합니다.

적합한 3D 방식의 선택이나 특정 애플리케이션의 구현과 관련하여 궁금한 사항이 있으시면, IDS 팀이 도움을 드리겠습니다.