กล้อง 2 มิติแบบดั้งเดิมสามารถมองเห็นโลกแบบแบนราบสองมิติเท่านั้น ซึ่งสามารถรับรู้รูปร่างและสีของวัตถุได้ แต่ไม่สามารถเข้าใจตำแหน่ง ขนาด หรือระยะห่างของวัตถุในเชิงพื้นที่ได้ สิ่งนี้จึงจำกัดความสามารถของระบบหุ่นยนต์และระบบอัตโนมัติขั้นสูงหลายระบบ การปรากฏตัวของกล้องตรวจจับความลึกได้เปลี่ยนแปลงข้อจำกัดดังกล่าวไปอย่างสิ้นเชิง โดยกล้องเหล่านี้มอบความสามารถในการรับรู้เชิง "สามมิติ" ใหม่ให้กับเครื่องจักร ทำให้ระบบสามารถเข้าใจเชิงพื้นที่ได้ใกล้เคียงกับมนุษย์ ส่งผลให้เกิดโอกาสการใช้งานที่กว้างขวางสำหรับโซลูชันการมองเห็นแบบฝังตัว (embedded vision) และการรับรู้เชิงสามมิติ (3D perception)
ในฐานะที่ปรึกษาผู้เชี่ยวชาญด้านโมดูลกล้อง บทความนี้จะวิเคราะห์เทคโนโลยีกล้องตรวจจับความลึกอย่างลึกซึ้ง รวมถึงประเภทหลักๆ ของเทคโนโลยีนี้ และการประยุกต์ใช้งานในสาขาหุ่นยนต์ โลจิสติกส์ และ AR/VR เราจะพิจารณาคุณลักษณะเฉพาะของแต่ละเทคโนโลยี เพื่อช่วยให้วิศวกรเข้าใจหลักการทำงานของกล้องตรวจจับความลึก และเลือกใช้เทคโนโลยีที่เหมาะสมที่สุดสำหรับโครงการของตน
กล้องตรวจจับความลึก ซึ่งมักเรียกกันว่ากล้อง 3 มิติ คือกล้องที่สามารถจับข้อมูลความลึกสำหรับพิกเซลแต่ละจุดในฉากได้ กล้องประเภทนี้ไม่เพียงให้ภาพสีแบบ RGB แบบดั้งเดิมเท่านั้น แต่ยังให้ข้อมูลแผนที่ความลึก (depth map) หรือชุดข้อมูลจุด (point cloud) ด้วย โดยค่าพิกเซลแต่ละค่าในแผนที่ความลึกจะแทนระยะทางระหว่างจุดนั้นกับตัวกล้อง
เราจำเป็นต้องใช้กล้อง 3 มิติเนื่องจากภาพ 2 มิติไม่สามารถแก้ปัญหาหลักประการหนึ่งของระบบการมองเห็นได้ นั่นคือ ความคลุมเครือเชิงพื้นที่ กล้อง 2 มิติไม่สามารถแยกแยะระหว่างวัตถุขนาดเล็กที่อยู่ใกล้กับกล้อง กับวัตถุขนาดใหญ่ที่อยู่ไกลออกไปได้ นอกจากนี้ ความแปรผันของแสง เงา และสิ่งกีดขวางก็อาจทำให้ระบบการมองเห็นแบบ 2 มิติทำงานผิดพลาดได้ เช่น วัตถุที่อยู่ในเงาอาจถูกเข้าใจผิดว่าเป็นวัตถุอีกชิ้นหนึ่ง หรือแม้แต่ไม่สามารถตรวจจับวัตถุนั้นได้เลย
กล้องวัดความลึกสามารถแก้ปัญหานี้ได้อย่างสมบูรณ์แบบ โดยให้ข้อมูลระยะทางที่แม่นยำ ซึ่งให้ข้อมูลเชิงเรขาคณิตกับเครื่องจักรโดยไม่ได้รับผลกระทบจากแสง สี และพื้นผิว ความสามารถในการรับรู้รูปร่างสามมิตินี้ช่วยให้เครื่องจักรเข้าใจและโต้ตอบกับโลกแห่งความเป็นจริงได้ ซึ่งเป็นรากฐานสำคัญสำหรับการพัฒนาโซลูชันการรับรู้ภาพสามมิติแบบฝังตัว
ในบรรดาเทคโนโลยีการตรวจจับความลึกทั้งหมดที่มีอยู่ในปัจจุบัน เทคโนโลยีที่ได้รับความนิยมสูงสุดและใช้งานกันอย่างแพร่หลายที่สุดมีสามประเภท ได้แก่
1. แสงโครงสร้าง
2. เวลาที่ใช้ในการเดินทางของคลื่น (Time of Flight)
2.1 เวลาที่ใช้ในการเดินทางของคลื่นแบบตรง (dToF)
2.1.1 LiDAR
2.2 เวลาที่ใช้ในการเดินทางของคลื่นแบบอ้อม (iToF)
3. การมองเห็นแบบสเตอริโอ (Stereo Vision)
ต่อไปนี้ เราจะพิจารณาอย่างใกล้ชิดว่าแต่ละเทคโนโลยีการตรวจจับความลึกเหล่านี้ทำงานอย่างไร
เพื่อทำความเข้าใจว่ากล้องวัดความลึกทำงานอย่างไร สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจอย่างลึกซึ้งถึงประเภทหลักของเทคโนโลยีกล้องวัดความลึกที่อยู่เบื้องหลังมัน ปัจจุบันมีเทคโนโลยีกล้องวัดความลึกหลักสามประเภท
กล้องแสงแบบมีโครงสร้างเป็นเทคโนโลยีการถ่ายภาพแบบแอคทีฟ ซึ่งใช้โปรเจกเตอร์อินฟราเรดกำลังสูงในการฉายรูปแบบแสงที่รู้จักกันดี เช่น รูปแบบเฉพาะที่ประกอบด้วยจุดแสงนับพันจุด ไปยังฉากหนึ่งๆ จากนั้นจึงใช้กล้องหนึ่งตัวหรือมากกว่าหนึ่งตัวเพื่อบันทึกการบิดเบือนของรูปแบบแสงนั้นบนพื้นผิวของวัตถุ โดยการคำนวณการบิดเบือนนี้ กล้องสามารถประเมินรูปร่างสามมิติและระยะห่างของวัตถุได้
เทคโนโลยีนี้ให้ข้อมูลความลึกที่มีความแม่นยำสูงและมีความละเอียดสูง โดยเฉพาะในระยะใกล้ ความสามารถในการวัดระดับย่อยมิลลิเมตรนั้นเหมาะอย่างยิ่งสำหรับงานที่ต้องการวัดรายละเอียดของวัตถุอย่างแม่นยำ อย่างไรก็ตาม แสงที่ถูกฉายออกอาจได้รับผลกระทบจากแสงแวดล้อม (โดยเฉพาะแสงแดดจัด) ซึ่งส่งผลต่อความแม่นยำของการวัด นอกจากนี้ เมื่อมีการใช้กล้องแสงแบบมีโครงสร้างหลายตัวในพื้นที่เดียวกัน รูปแบบแสงที่แต่ละตัวฉายออกอาจรบกวนกันและกัน
กล้องแบบไทม์-ออฟ-ฟลайต์ (Time-of-Flight) ทำงานตามหลักการที่ความเร็วของแสงเป็นค่าคงที่ โดยส่งแสงอินฟราเรดออกไปและวัดระยะเวลาที่แสงพัลส์ใช้ในการสะท้อนกลับมายังเซนเซอร์ของกล้อง จากช่วงเวลาที่วัดได้นี้ สามารถคำนวณระยะห่างระหว่างวัตถุกับกล้องได้อย่างแม่นยำ กระบวนการนี้มักดำเนินการพร้อมกันในแต่ละพิกเซล ทำให้สามารถจับภาพความลึกได้ที่อัตราเฟรมสูง
ขึ้นอยู่กับวิธีการที่ใช้ในการกำหนดระยะทาง ระบบไทม์-ออฟ-ฟลайต์จึงแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ ไทม์-ออฟ-ฟลайต์แบบตรง (Direct Time-of-Flight: DToF) และไทม์-ออฟ-ฟลайต์แบบไม่ตรง (Indirect Time-of-Flight: iToF)
dToF วัดระยะเวลาที่แสงพัลส์ใช้เดินทางจากจุดปล่อยไปยังจุดกลับมาโดยตรง โดยใช้เซนเซอร์เฉพาะเพื่อตรวจจับเวลาที่โฟตอนแต่ละตัวมาถึงอย่างแม่นยำ วิธีการวัดโดยตรงนี้ทำให้สามารถวัดระยะทางได้ไกลขึ้นและมีความแม่นยำสูงขึ้น
ไลดาร์ (เรดาร์เลเซอร์) เป็นเทคโนโลยี dToF ประเภทหนึ่ง โดยทั่วไปจะใช้เครื่องสแกนเลเซอร์ปล่อยลำแสงเลเซอร์เป็นจุดๆ ไปในฉาก และรับแสงที่สะท้อนกลับมา เพื่อสร้างคลาวด์จุดที่มีความแม่นยำสูง ระยะการตรวจจับที่ไกลของไลดาร์และคุณสมบัติในการต้านแสงแวดล้อมได้ดี ทำให้เหมาะสำหรับระบบขับขี่อัตโนมัติและการสร้างแผนที่ความแม่นยำสูงสำหรับหุ่นยนต์
iToF ไม่ทำการวัดเวลาโดยตรง แต่จะส่งคลื่นแสงที่มีการปรับโมดูเลตอย่างต่อเนื่อง และวัดความต่างของเฟสระหว่างแสงที่สะท้อนกลับกับแสงที่ส่งออกไป ความต่างของเฟสนี้สัมพันธ์โดยตรงกับระยะเวลาที่แสงใช้เดินทาง iToF มักมีขนาดกะทัดรัดกว่า ใช้พลังงานน้อยกว่า และสามารถถ่ายภาพได้ในอัตราเฟรมที่สูงกว่า จึงเหมาะสำหรับการใช้งานในระยะใกล้ภายในอาคาร เช่น การรู้จำท่าทางและการยืนยันตัวตนจากใบหน้า
กล้องวิเคราะห์ภาพแบบสเตอริโอเลียนแบบการมองเห็นด้วยตาสองข้างของมนุษย์ โดยใช้กล้องสองตัวที่ติดตั้งอยู่ห่างกันเป็นระยะคงที่ (baseline) เพื่อจับภาพฉากเดียวกันพร้อมกัน จากนั้นระบบจะใช้อัลกอริธึมที่ซับซ้อนในการระบุจุดที่สอดคล้องกันในภาพทั้งสองภาพ และอาศัยหลักการไตรโกณมิติ (triangulation) คำนวณตำแหน่งของแต่ละจุดในปริภูมิสามมิติ จนได้แผนที่ความต่างของระยะ (disparity map)
เทคโนโลยีแบบพาสซีฟนี้ไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงเพิ่มเติม จึงเหมาะสำหรับการใช้งานกลางแจ้งและในสภาพแวดล้อมที่มีแสงธรรมชาติเพียงพอ นอกจากนี้ยังให้แผนที่ความลึกที่มีความละเอียดสูง ซึ่งไม่ได้รับผลกระทบจากวัสดุของวัตถุ อย่างไรก็ตาม การวิเคราะห์ภาพแบบสเตอริโอมีความต้องการทรัพยากรการประมวลผลสูงมาก และจำเป็นต้องใช้โปรเซสเซอร์ที่ทรงพลังเพื่อดำเนินการจับคู่ภาพ นอกจากนี้ยังมีข้อจำกัดในการทำงานในบริเวณที่ไม่มีพื้นผิวหรือลวดลาย (เช่น ผนังสีขาวหรือพื้นผิวเรียบสีเดียว) เนื่องจากอัลกอริธึมไม่สามารถหาจุดที่สอดคล้องกันได้
| คุณสมบัติ | แสงที่มีโครงสร้าง | การมองแบบสเตอริโอ | LiDAR | dToF | iToF |
| หลักการ | การบิดเบือนของรูปแบบที่ฉาย | การเปรียบเทียบภาพจากกล้องคู่ | เวลาของการเคลื่อนที่ของแสงสะท้อน | เวลาของการเคลื่อนที่ของแสงสะท้อน | การเปลี่ยนเฟสของชั้นแสงที่ถูกปรับแต่ง |
| ความซับซ้อนของซอฟต์แวร์ | สูง | สูง | ต่ำ | ต่ำ | ปานกลาง |
| ต้นทุน | สูง | ต่ำ | ปรับได้ | ต่ำ | ปานกลาง |
| ความแม่นยำ | ระดับไมโครเมตร | ระดับเซนติเมตร | ขึ้นอยู่กับช่วง | มิลลิเมตรถึงเซนติเมตร | มิลลิเมตรถึงเซนติเมตร |
| ช่วงการทำงาน | สั้น | ~6 เมตร | สามารถปรับขนาดได้สูง | สามารถปรับขนาดได้ | สามารถปรับขนาดได้ |
| ผลงานในสภาพแสงสว่างต่ํา | ดี | อ่อนแอ | ดี | ดี | ดี |
| ประสิทธิภาพในการใช้งานภายนอก | อ่อนแอ | ดี | ดี | ปานกลาง | ปานกลาง |
| ความเร็วในการสแกน | ช้า | ปานกลาง | ช้า | เร็ว | เร็วมาก |
| ความคอมพัคต์ | ปานกลาง | ต่ำ | ต่ำ | สูง | ปานกลาง |
| การใช้พลังงาน | สูง | ต่ำถึงสามารถปรับขนาดได้ | สูงถึงสามารถปรับขนาดได้ | ปานกลาง | ปรับขนาดได้ถึงระดับกลาง |
เทคโนโลยีกล้อง 3 มิติได้ก้าวออกจากห้องปฏิบัติการสู่การใช้งานเชิงพาณิชย์แล้ว และความสามารถอันหลากหลายของมันกำลังเปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมต่างๆ อย่างลึกซึ้ง
กล้องวัดความลึกสำหรับหุ่นยนต์ทำหน้าที่เป็น "อวัยวะรับรู้เชิงพื้นที่" ของหุ่นยนต์ ในสายการผลิตอัตโนมัติ หุ่นยนต์จำเป็นต้องระบุและจับชิ้นงานที่วางซ้อนกันแบบสุ่มได้อย่างแม่นยำ กล้อง 3 มิติสามารถสร้างข้อมูลคลาวด์จุด (point cloud) ที่มีความแม่นยำสูง ช่วยให้หุ่นยนต์เข้าใจท่าทางและตำแหน่งของวัตถุในมิติที่สาม ทำให้สามารถจับ คัดแยก และประกอบชิ้นส่วนได้อย่างแม่นยำ ส่งผลให้ประสิทธิภาพและประสิทธิผลในการผลิตเพิ่มสูงขึ้นอย่างมาก
อุปกรณ์ AR/VR ต้องมีการรับรู้สภาพแวดล้อมแบบเรียลไทม์ เพื่อผสานรวมวัตถุเสมือนเข้ากับโลกแห่งความเป็นจริงได้อย่างไร้รอยต่อ กล้องวัดความลึกสามารถสแกนห้องของผู้ใช้ในมิติสามมิติ และสร้างแผนที่ความลึกที่แม่นยำ ซึ่งช่วยให้วัตถุเสมือนสามารถวางตำแหน่งได้อย่างถูกต้องบนโต๊ะหรือซ่อนอยู่ด้านหลังวัตถุจริง ทำให้ประสบการณ์การใช้งานของผู้ใช้มีความสมจริงและมีปฏิสัมพันธ์มากยิ่งขึ้น
การจัดเก็บสินค้าอัตโนมัติ การวัดปริมาตรของบรรจุภัณฑ์ และการจัดเรียงสินค้าบนพาเลท ถือเป็นความต้องการหลักในอุตสาหกรรมโลจิสติกส์ กล้อง 3 มิติสามารถวัดปริมาตรและน้ำหนักของบรรจุภัณฑ์ได้อย่างรวดเร็ว เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการจัดวางสินค้าลงในรถบรรทุก ในคลังสินค้าอัตโนมัติ กล้องเหล่านี้สามารถช่วยนำทางหุ่นยนต์ให้หยิบและวางสินค้าจากชั้นวางได้อย่างแม่นยำ รวมทั้งทำการตรวจนับสินค้าคงคลัง ทำให้การบริหารจัดการคลังสินค้ามีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น
ในภาคการดูแลสุขภาพ กล้อง 3 มิติสามารถใช้สำหรับการวัดร่างกายแบบไม่สัมผัส การวิเคราะห์ท่าทาง และการวางแผนการผ่าตัด ผ่านการสแกน 3 มิติ กล้องตรวจจับความลึกสามารถสร้างแบบจำลองของมนุษย์เพื่อผลิตอุปกรณ์เสริมร่างกายและอุปกรณ์พยุงร่างกายที่ออกแบบเฉพาะบุคคล สำหรับระบบชีวมิติ กล้องเหล่านี้สามารถระบุรูปร่างเรขาคณิตเฉพาะของใบหน้า เพื่อให้การยืนยันตัวตนมีความปลอดภัยมากยิ่งขึ้น และป้องกันการหลอกลวงด้วยภาพถ่ายหรือวิดีโอ
กล้องที่ตรวจจับความลึกเป็นความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่สำคัญในสาขาการมองเห็นแบบฝังตัว ไม่ว่าจะเป็นเทคโนโลยีแสงโครงสร้าง เทคโนโลยีเวลาเดินทางของแสง หรือเทคโนโลยีการมองเห็นแบบสองตา แต่ละเทคโนโลยีล้วนมีแนวทางการประมวลผลภาพสามมิติที่แตกต่างกัน วิศวกรด้านการมองเห็นของเครื่องจักรจึงจำเป็นต้องเข้าใจหลักการและลักษณะเฉพาะของกล้องตรวจจับความลึกแต่ละประเภทอย่างลึกซึ้ง และเลือกใช้ให้เหมาะสมกับสถานการณ์การใช้งานจริง เช่น กล้องตรวจจับความลึกสำหรับหุ่นยนต์ การเลือกใช้กล้องตรวจจับความลึกอย่างแม่นยำจึงเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง กล้องตรวจจับความลึกมอบความสามารถในการรับรู้โลกสามมิติให้กับเครื่องจักร และกำลังขับเคลื่อนการเปลี่ยนผ่านครั้งใหญ่จากงานอัตโนมัติสู่ปัญญาประดิษฐ์
คุณกำลังประสบปัญหาในการเลือกกล้องความลึกที่เหมาะสมสำหรับโครงการของคุณอยู่หรือไม่? ติดต่อทีมผู้เชี่ยวชาญของเราในวันนี้เพื่อรับคำปรึกษาด้านโซลูชันการมองเห็นแบบฝังตัวและการรับรู้ภาพสามมิติ (3D perception) อย่างมืออาชีพ ซึ่งจะช่วยให้คุณสร้างระบบการมองเห็นของเครื่องจักร (machine vision system) ที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานของคุณ
ข่าวเด่น
EN
