Hallo zusammen , ich versuche seit Tage den Lichtlaufzeit verfahren zu verstehen , bis ich auf diesen Artikel gestoßen bin , aber irrgendwie verstehe ich die Funktionsweise nicht ganz . http://de.wikipedia.org/wiki/TOF-Kamera wie berechnet man durch den puls die zeit ? warum wird 2 pulslichte gesendet ? warum verzögert sich den reflektierten Licht ? .. könnte mir vielleicht jemanden helfen? Mit freundlichem Gruß
Die Funktionsweise wird dann klarer, wenn du dir klar machst, dass du in eine derartige Kamera mit 200*200 Pixel keine 40000 hochpräzise Uhren einbauen kannst, die die Laufzeit des jeweiligen Lichtstrahls vom der Lampe bis zum Photodetektor am EmpfangsChip messen. Wie aber kann man dann die Laufzeit messen. Der Trick besteht darin, dass man ein Speicherelement hat, in dem man eine Größe summieren kann. Ich würde mal annehmen, dass es sich dabei um Kondensatoren handelt. Sobald der Photodetektor den zurückkommenden Lichtpuls das erste mal sieht, schliesst er einen Schalter zu diesem Kondensator. Mit dem Ende des Lichtpulses wird der Schalter wieder geöffnet. Die im Kondensator danach vorliegende Ladungsmenge ist damit ein Mass für die Zeitdifferenz und damit für die Laufzeit des Lichts von der Lampe zum Objekt und wieder zurück. Im Wikipedia Artikel ist eine kleine Grafik, die die Verhältnisse zeigt.
Im Grunde schickt man einen Lichtblitz los, und betrachtet die Szene mit einer Kamera. Jedes Pixel der Kamera merkt sich, wann der Lichtblitz(der an den Objekten in der Szene reflektiert wird)ankommt. Wenn das Licht frueh ankommt hat es nur einen kurzen Weg vom Blitzlicht zur Kamera gehabt, kommt es spaet war der Weg entsprechend weiter.
@ loonquawl Schön wär's. In dem Zeitbereich würde ich sagen: Spar schon mal.
Bei den ToF-Kameras steckt hinter jedem Pixel ein PMD (Photo-Misch-Detektor oder Photonic-Mixing-Device, wenn man es englisch lieber mag). Die Funktionsweise ist die von Karl-Heinz beschriebene: Die Kamera sendet moduliertes Licht, wobei die Modulationsfrequenz von der zu erfassenden Distanz abhängig ist. Die Modulationsspannung wird gleichzeitig zur Steuerung der beiden Schalter genutzt, die das Photoelement mit einem der beiden Speicherkondensatoren verbinden. Weil das Licht von der Kamera zum reflektierenden Objekt und wieder zurück zur Kamera eine gewisse Zeit braucht, ergibt sich ein laufzeit- und damit distanzabhängiger Ladungsunterschied der beiden Kondensatoren.
Solltest Du so einen Kamera brauchen, ich hab eine oder zwei Swiss Ranger 4000 (auch im Wikipedia Artikel erwähnt) übrig. cu Flo PS: Die neu Kinetik enthält übrigens auch eine TOF Kamera. Blöderweise ist das SDK immer noch nicht frei verfügbar.
Super , bis jetzt alles kapiert . aber wir berechnet man t0 bei der Formel D = (c.t0/2). S2/(S1+S2) ?
Du hast aber schon den Artikel und das dort angegebene Diagramm studiert? http://commons.wikimedia.org/wiki/File:TOF-Kamera-Prinzip.jpg t0 ist die Pulslänge, die der Sender (die Lichtquelle) erzeugt. Und die kennst du a priori.
Karl Heinz schrieb: > Kondensatoren handelt. Sobald der Photodetektor den zurückkommenden > Lichtpuls das erste mal sieht, schliesst er einen Schalter zu diesem > Kondensator. Mit dem Ende des Lichtpulses wird der Schalter wieder > geöffnet. Die im Kondensator danach vorliegende Ladungsmenge ist damit > ein Mass für die Zeitdifferenz und damit für die Laufzeit des Lichts von > der Lampe zum Objekt und wieder zurück. Das war im übrigen Quatsch. Das funktioniert anders.
1 | In der Beispielskizze arbeitet das Pixel mit 2 Schaltern (G1 und G2) |
2 | und Speicherelementen (S1 und S2). Die Schalter werden mit einem |
3 | Pulssignal mit der gleichen Länge wie der Lichtpuls angesteuert, |
4 | wobei das Steuersignal für G2 um eine Pulslänge verschoben ist. |
5 | Trifft nun das reflektierte Licht verzögert auf das Pixel auf, |
6 | so gelangt nur ein Teil des Signals in das Speicherelement S1, |
7 | der andere Teil wird in S2 gesammelt. Je nach Distanz verändert |
8 | sich also das Verhältnis von S1 und S2, wie es in der zweiten Grafik |
9 | dargestellt ist. |
Eigentlich recht einfach. Der Speicher S1 integriert solange die Ladung, solange der Puls generiert wird. Der SPeicher S2 macht dasselbe für eine Pulslänge, nachdem der Puls komplett draussen ist. Das Verhältnis der in diesem Zeiträumen gesammelten Ladungen in S1 und S2 ist dann ein Mass dafür, wie stark verzögert der Puls zurück gekommen ist. Und damit ist das ein Mass für die Entfernung, da ja die Laufzeit und der dabei zurückgelegte Weg über die Lichtgeschwindigkeit zusammenhängen.
Die jetzige: ja. Die frühere: nein (die hatte eine Art Muster auf die Szenerie projeziert und mit einer normalen, hochauflösenden Kamera betrachtet. Daraus wurde das 3D-Bild berechnet).
könnt ihr den letzen Diagramm(Signalstärken über die Distanz ) erklären ,und wie wie kommt dass D = S2/(S1+S2) ?
Setup
1 | Taktgeber -+-> L O |
2 | | E |
3 | | |
4 | +--> S1 0 |
5 | +--> S2 0 |
6 | |
7 | |
8 | L ... Lichtquelle |
9 | E ... Empfänger ("Photozelle")
|
10 | O ... Objekt, zu dem die Distanz bestimmt werden soll |
11 | S1, S2 ... die Integrierer, die die empfangene Lichtmenge aufsummieren |
12 | |
13 | |
14 | Der Taktgeber steuert L, S1 und S2 an. Der Taktgeber erzeugt jeweils |
15 | einen Puls. Der Puls geht direkt zur Lichtquelle und sorgt dafür, dass |
16 | ein Lichtstrahl mit genau dieser Pulslänge erzeugt wird. |
17 | Gleichzeitig geht derselbe Puls an S1. Nur solange der Puls an seinem |
18 | Eingang anliegt, summiert S1 die Lichtmenge, die der Empfänger sieht. |
19 | Ein genau gleicher Puls, nur um eine Pulslänge verschoben, geht an S2. |
20 | Wieder: S2 summiert nur dann die vom Empfänger gemeldete Lichtmenge auf, |
21 | wenn sein Puls vom Taktgeber anliegt. |
der Taktgeber startet das ganze, in dem er mit dem Puls beginnt. Gleichzeitig starten daher S1 mit der Summierung dessen, was der Empfänger wahrnimmt und der Lichtstrahl macht sich auf den Weg
1 | Taktgeber -+-> L * O |
2 | Puls | E |
3 | | |
4 | +--> S1 0 |
5 | +--> S2 0 |
da der Empfänger noch nichts detektiert, bleibt der Wert von S1 bei 0. Der Puls ist (noch lange) nicht zu Ende, die Lichtquelle leuchtet nach wie vor.
1 | Taktgeber -+-> L ** O |
2 | Puls | E |
3 | | |
4 | +--> S1 0 |
5 | +--> S2 0 |
1 | Taktgeber -+-> L *** O |
2 | Puls | E |
3 | | |
4 | +--> S1 0 |
5 | +--> S2 0 |
Ich überspring jetzt ein paar Zeitschritte im Pico-Sekunden Bereich. Der Lichtstrahl ist immer länger geworden ....
1 | Taktgeber -+-> L ****************O |
2 | Puls | E |
3 | | |
4 | +--> S1 0 |
5 | +--> S2 0 |
... und trifft irgendwann auf das Objekt, von dem er reflektiert wird
1 | Taktgeber -+-> L ****************O |
2 | Puls | E * |
3 | | |
4 | +--> S1 0 |
5 | +--> S2 0 |
1 | Taktgeber -+-> L ****************O |
2 | Puls | E ** |
3 | | |
4 | +--> S1 0 |
5 | +--> S2 0 |
Wieder lasse ich jetzt ein bischen Zeit aus. Der Lichtstrahl (die Lampe leuchtet immer noch), ist bereits auf dem Rückweg ...
1 | Taktgeber -+-> L ****************O |
2 | Puls | E ******** |
3 | | |
4 | +--> S1 0 |
5 | +--> S2 0 |
und erreicht irgendwann den Empfänger (die Lampe leuchtet immer noch!)
1 | Taktgeber -+-> L ****************O |
2 | Puls | E **************** |
3 | | |
4 | +--> S1 0 |
5 | +--> S2 0 |
Jetzt sieht der Empfänger das erste mal Licht. Da S1 immer noch scharf ist und der Empfänger etwas sieht, beginnt S1 damit, das zu summieren
1 | Taktgeber -+-> L ****************O |
2 | Puls | E **************** |
3 | | |
4 | +--> S1 1 |
5 | +--> S2 0 |
1 | Taktgeber -+-> L ****************O |
2 | Puls | E **************** |
3 | | |
4 | +--> S1 2 |
5 | +--> S2 0 |
1 | Taktgeber -+-> L ****************O |
2 | Puls | E **************** |
3 | | |
4 | +--> S1 3 |
5 | +--> S2 0 |
1 | Taktgeber -+-> L ****************O |
2 | Puls | E **************** |
3 | | |
4 | +--> S1 4 |
5 | +--> S2 0 |
... (Zeit übersprungen)
1 | Taktgeber -+-> L ****************O |
2 | Puls | E **************** |
3 | | |
4 | +--> S1 228 |
5 | +--> S2 0 |
Irgendwann ist für den Taktgeber der Puls fertig und er erklärt den ersten Puls für beendet. Dadurch passiert * die Lichtquelle wird ausgeschaltet * S1 hört mit summieren auf * dafür klinkt sich S2 ein und beginnt zu zählen
1 | Taktgeber -+-> L ***************O |
2 | | E **************** |
3 | | |
4 | +--> S1 228 |
5 | +--> S2 1 |
1 | Taktgeber -+-> L **************O |
2 | | E **************** |
3 | | |
4 | +--> S1 228 |
5 | +--> S2 2 |
1 | Taktgeber -+-> L *************O |
2 | | E **************** |
3 | | |
4 | +--> S1 228 |
5 | +--> S2 3 |
1 | Taktgeber -+-> L ************O |
2 | | E **************** |
3 | | |
4 | +--> S1 228 |
5 | +--> S2 4 |
.... (Zeit übersprungen)
1 | Taktgeber -+-> L *****O |
2 | | E **************** |
3 | | |
4 | +--> S1 228 |
5 | +--> S2 56 |
.... (Zeit übersprungen)
1 | Taktgeber -+-> L *O |
2 | | E **************** |
3 | | |
4 | +--> S1 228 |
5 | +--> S2 137 |
.... (Zeit übersprungen)
1 | Taktgeber -+-> L O |
2 | | E ************ |
3 | | |
4 | +--> S1 228 |
5 | +--> S2 176 |
.... (Zeit übersprungen)
1 | Taktgeber -+-> L O |
2 | | E ***** |
3 | | |
4 | +--> S1 228 |
5 | +--> S2 230 |
.... (Zeit übersprungen)
1 | Taktgeber -+-> L O |
2 | | E |
3 | | |
4 | +--> S1 228 |
5 | +--> S2 272 |
In diesem Moment ist der Lichtstrahl komplett durch. Der Empfänger sieht nichts mehr, S2 hört ebenfalls mit zählen auf. Bis dann irgendwann vom Taktgeber auch diese 2.te Messperiode als beendet erklärt wurde. Die Lichtquelle war insgesamt 500 Einheiten lang eingeschaltet. Genau so lange war der Puls, der vom Taktgeber erzeugt wurde. Von diesen 500 Einheiten wurden 228 von S1 detektiert und 272 von S2. Und aus diesem Verhältnis kann man errechnen, wie weit das Objekt entfernt ist. Ist es näher an der Lichtquelle, dann teilen sich die 500 so auf, dass mehr in S1 gezählt wird und weniger in S2 (weil ja der zurückkehrende Strahl viel früher bewirkt, dass S1 mit zählen anfängt; er hat ja den kürzeren Weg hin und zurück). Bzw. umgekehrt. Ist O weiter von L entfernt, dann beginnt S1 später mit zählen und erreicht daher einen kleineren Wert, während dafür S2 den größeren Wert registriert. Wie auch immer - im Verhältnis von S1 zu S2, bzw. was gleichbedeutend ist: im Verhältnis von S1 zur Pulslänge, ist die Distanz enthalten und kann daraus errechnet werden. Noch besser kann ich es nicht mit Worten erklären. Wenn du jetzt immer noch nicht verstanden hast, wie das funktioniert, dann muss ich passen, denn ich werde jetzt kein Simulationsprogramm schreiben, welches den ganzen Vorgang in einer Animation mit der Möglichkeit der Distanzvariation und dementsprechenden Laufzeitsimulationen/Animationen zeigt.
malek jabir schrieb: > könnt ihr den letzen Diagramm(Signalstärken über die Distanz ) erklären > ,und wie wie kommt dass D = S2/(S1+S2) ? Im Idealfall (keine Dämpfung über der Distanz) ist die Gesamtladung - also die Summe S1+S2 - immer gleich, die Verteilung aber je nach Distanz unterschiedlich. Das Licht hat eine konstante Geschwindigkeit c, der Lichtpuls eine Länge t, das reflektierende Objekt ist D von der Kamera entfernt. Ist die Zeit bis zum reflektierenden Objekt gleich Null (D = 0), kommt das Licht unmittelbar nach der Aussendung wieder am Sensor an und unmittelbar nach Ende des Lichtpulses kommt kein Licht mehr. In diesem Fall fließen also alle erzeugten Ladungsträger auf den Speicher S1, da in der Zeit, in der S2 gefüllt werden könnte, kein Licht erzeugt wird. => S1 = 1, S2 = 0 => Rechnung: D = c*t/2 * 0/1 = 0 Ist die Zeit bis zum reflektierenden Objekt gleich einem Viertel der Pulsdauer (D = c*t/4), kommt das Licht, welches ja den Weg zweimal zurücklegen muss, genau zur Hälfte der Einschaltzeit von S1 an der Kamera an und der Lichpuls dauert bis zur Hälfte der Einschaltzeit von S2. Es fließen also gleich viele Ladungsträger auf S1 und S2 => S1 = S2 = 0,5 => Rechnung: D = c*t/2 * 1/2 = c*t/4 Ist die Zeit bis zum reflektierenden Objekt gleich der halben Pulsdauer (D = c*t/2), kommt das Licht genau dann an der Kamera an, wenn der Speicher S2 mit der photoaktiven Schicht verbunden ist und alle Ladungsträger fließen auf S2. => S1 = 0, S2 = 1 => Rechnung: D = c*t/2 * 1/1 = c*t/2 Für die Fälle dazwischen ergeben sich dann eben andere Verhältnisse S2/(S1+S2). Man erkennt an der Formel auch, dass Distanzen eindeutig nur im Bereich von 0 bis c*t/2 erfasst werden können, für größere Distanzen wiederholen sich die Messwerte.
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