dc.description.abstract
Die Verwendung von Kameras, die es ermöglichen eine gegebene Szenerie dreidimensional (3D) aufzunehmen, wurde in den letzten Jahren immer weiter verbreitet. Einen maßgeblichen Beitrag hierzu leisten vor allem Spielkonsolen, die neben dem traditionellen Einsatzgebiet, etwa in der Fertigungstechnik, 3D Kameras für ihre Anwendungen eingeführt haben. Allen voran ist dabei Microsofts Xbox 360 zu nennen, welche über den günstigen 3D-Sensor Kinect verfügt. Durch das Wirkprinzip der Kinect des Projizierens eines infraroten Referenzmusters auf die zu messende 3D Szenerie, ist jedoch eine hohe Beeinflussbarkeit von dem vorhanden Umgebungslicht gegeben; eine Eigenschaft die in gewissen Applikationen, wie etwa bei der Objekterkennung im Straßenverkehr, zu Störungen oder schlimmstenfalls zu Systemausfällen führen kann. Korrelierende Time-of-Flight (ToF) 3D Sensoren, die kommerziell noch keine große Verbreitung finden, sind im Gegensatz dazu weit weniger vom Umgebungslicht beeinflussbar. Im Fokus dieser Dissertation steht die Entwicklung eines Charakterisierungs- und Messsystems für solche ToF Kamera Chips. Das System ist so ausgelegt, dass die Leistungsfähigkeit der zur Verfügung gestellten Chips voll ausgenutzt werden kann, was nicht nur durch die Genauigkeit der Ausleseschaltung sondern auch durch eine Signalansteuerung mit minimalem Cycle-to-Cycle Jitter im Picosekunden-Bereich des ToF Chips erreicht wird. Des Weiteren können die ToF Schaltungen in einem breiten Operationsbereich charakterisiert werden. Die Pixelanzahl des zu verwendenden 3D Kamera Chips ist dabei variabel einstellbar, wobei eine maximale Obergrenze von 128x128 Pixeln besteht. Das System ist in der Lage, die Distanzauflösung durch arithmetisches Mitteln über eine Vielzahl von Distanzwerten intern zu verbessern. Die Zahl, über die gemittelt werden kann, liegt dabei frei wählbar zwischen 0 und 255. Großer Wert wurde auf die Bildübertragungsrate des ToF Kamerasystems gelegt, um ein flüssiges Bild für das menschliche Auge zu gewährleisten, sofern mit den gewählten Kameraparametern möglich. Das Dokument beginnt mit einem kurzen einleitenden Kapitel, das einen Überblick über die Funktionsweise der sich am Markt befindlichen kommerziellen 3D Kamera Systeme verschaffen soll. Vor- und Nachteile der verschiedenen Tiefensensoren werden dabei vorgestellt. Im darauf folgenden Kapitel 2 stehen ToF Sensoren ganz allgemein im Mittelpunkt. Das Kapitel beginnt mit der Erläuterung des Wirkprinzips der ToF Schaltungen. Im Anschluss werden die Funktion und die Anforderungen der verwendeten ToF Kamera Chips bezüglich Ansteuerung und Ausleseprozess dargelegt. Abschließend erfolgt ein Überblick über den aktuellen Stand der Technik von ToF 3D Kameras. Nachdem bis zu diesem Punkt im Dokument großteils allgemeine Informationen vorgestellt wurden, befasst sich Kapitel 3 mit dem Design des vorliegenden Messsystems. Um ein besseres Verständnis zu gewährleisten, wird ausgehend von den Spezifikationen, die vor Entwurfsbeginn bekannt waren, ein grober Überblick über die 3D Chip Anregungs- und Ausleseplatine erstellt. Anschließend folgt eine genaue Erläuterung aller auf der Platine befindlichen Funktionsgruppen. Das soll dazu dienen, das Verstehen der VHDL-Codes, mit denen der FPGA konfiguriert wurde, und der damit elektrisch verbundenen diskreten Schaltungen zu ermöglichen. Ein ToF System muss über eine schnell modulierbare Lichtquelle verfügen, welche die Szenerie vor der Kamera beleuchtet. Am Ende von Kapitel 3 werden drei modulierbare Hochleistungslichtquellen vorgestellt. Des Weiteren wird ein Faseraufbau präsentiert, mit dem der Charakterisierungsprozess reproduzierbar und systematisch durchgeführt werden kann. Das erstellte Messsystem kann als universitär aufgefasst werden. Die verwendeten Ressourcen sind teuer, das System ist unhandlich. Kapitel 4 nimmt diese Tatsache zum Anstoß und untersucht Möglichkeiten, das vorhandene System zu vereinfachen, ohne die erzielbare Messgenauigkeit von derzeit unter 1.5mm zu gefährden. Zum Beispiel wurde das Charakterisierungssystem so entworfen, dass alle Signale, mit denen der Kamera Chip gespeist wird, einen minimalen Jitter aufweisen. In dem Kapitel wird dieser Schritt hinterfragt, die Abhängigkeit von Jitter auf das Distanzmessergebnis wird folglich ermittelt. Es werden auch systematische Fehlerquellen von ToF Systemen untersucht, etwa ein phasenabhängiger Distanzfehler, hervorgerufen durch die Fourier Transformation, welche für das Messergebnis unerlässlich ist. Des Weiteren wird auch der Einfluss der Auflösung des eingesetzten analog-zu-digital Umsetzers hinterfragt. Zu den Messergebnissen werden teilweise Fehlerbehebungsansätze präsentiert. Unter anderem wird als Alternative zu dem FFT-Algorithmus ein neuartiger Algorithmus basierend auf der Methode der kleinsten Quadrate beschrieben, welcher auch den durch die FFT induzierten Fehler ausgleicht. Schlussendlich wird in Kapitel 5 eine Zusammenfassung der zuvor vorgestellten Messergebnisse präsentiert. Mit den sich daraus ergebenden Schlüssen wird versucht, die Komplexität des vorliegenden 3D Kamera Messsystems zu minimieren um die Möglichkeit zu untersuchen, das System mit Hilfe von Bauteile aus dem unteren Preissegment zu realisieren.
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