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ステレオカメラ SceneScan リアルタイム三次元距離センサ | 株式会社ナノシード

PRODUCT INDEX製品情報

デモ機貸出あり

自動運転ロボットの自律制御に最適!
リアルタイムな三次元距離計測を実現する

ステレオカメラ SceneScan リアルタイム三次元距離センサ

製品カテゴリー ステレオカメラ
製品名 SceneScanPro/SceneScan

ステレオカメラ SceneScan

ステレオカメラ SceneScanは、発光部を必要としないパッシブ方式のリアルタイム三次元距離センサです。そのため、明るい屋外や遠距離、水中などでの距離測定が可能で、他のセンサとの併用もできます。プログラム可能な集積回路FPGA(Field Programable Gate Array)による高速処理で、リアルタイムな距離測定と省電力・小型化を実現。自動運転やロボットの自律制御などに最適です。デモ機の貸し出し可能。詳しくは後述、もしくはお問い合わせください。

本ページの構成

1.ステレオカメラとは

ステレオカメラは、自動運転やロボットの自律制御に必要な「リアルタイム三次元距離センサ」の一種です。人間の目と同じように、2つのカメラを用いて対象物までの距離を測定します。「三角測量」の原理にもとづいて距離を算出しています。

三次元距離センサの種類

三次元距離センサには、大きく「アクティブ方式」と「パッシブ方式」の2種類があります。ステレオカメラはパッシブ方式の一つで、アクティブ方式にはない利点があります。

アクティブ方式とは、電波やレーザー光を対象物に照射し、それが反射して戻ってくる際のズレや時間を計測して距離を算出する手法のことです。電波を使うものは「レーダー(RADER)」、レーザー光を使うものは「ライダー(LiDAR)」と呼ばれています。

パッシブ方式とは、電波やレーザー光を照射せず、カメラを用いて距離を算出する手法のこと。2つのカメラを使うステレオカメラのほか、1つのカメラで距離を算出する手法もあります。

2.ステレオカメラの原理

ステレオカメラは、三角測量法により、人の目と同じように奥行きを測ります。

  1. 左右のカメラで撮影し、2枚の画像の画素のズレを算出。
  2. 画素のズレをもとに、左右のカメラから対象物までの角度の差(視差)を算出。
  3. 2つのカメラ間の距離(基線長)と視差をもとに、三角測量法で対象物までの距離を計算。それをもとに画面全体の奥行き情報を把握する。

3.ステレオカメラの利点

遠距離の測定が容易

アクティブ方式では、電波やレーザー光が届く範囲しか距離の測定ができません。ステレオカメラでは、画面に写っているものなら距離を測定することができます。

明るい環境での距離測定に適している

アクティブ方式では、周囲が明るいと反射を識別できないことがあります。ステレオカメラなら、画面に写っているものを識別可能です。

道路上の黄線や白線の検出が容易

電波やレーザー光は反射により距離を測定するため、黄線や白線の検出が困難です。カメラであれば、それらを容易に検出可能です。

対象物の反射率に依存しない

物体によっては、電波やレーザー光をあまり反射しないものがあります(黒いものは反射しにくい)。カメラにはその心配がありません。

4.SceneScanの特長

FPGA(Field Programmable Gate Array)を使った高速処理

FPGAとは、プログラム可能な集積回路のことです。ステレオカメラによる距離測定には高い計算コストがかかり、CPU(Central Processing Unit)では実現困難でした。ハイエンドなGPU(Graphical Processing Unit)での実装例はありますが、GPUは消費電力が高く、バッテリ駆動のハードには不向きでした。
FPGAは回路レベルでプログラムを実行するため、CPUやGPUと比べて動作が圧倒的に軽く、省電力性が高いのが特長です。GPUベースのステレオカメラと比べて小型化も可能です。また、FPGA単体で処理するためOSも不要です。

SGM(Semi-Global Matching/セミグローバルマッチング)方式の採用

SceneScanで実装しているステレオマッチング法はSGMをベースにしています。ステレオマッチングとは、左右のカメラで撮影した画像のズレから視差を推定する方法のことです。SGMは、高精度と高い計算効率を両立し、広く知られたマッチング手法です。

パッシブ方式

発光を必要としないため、明るい屋外での距離測定や、遠距離の測定、水中での距離測定にも適しています。また、他のセンサとの併用も可能です。

プロセッサー部(画像処理部)及びカメラ分離型

画像処理を行うプロセッサー部とカメラは分離されており、USB3.0ケーブルで接続します(詳細は「7.製品モデルとスペック」参照)。そのため、用途に適した、あるいは使い慣れたカメラを選択することができます。

製品の詳しい情報は、以下のカタログや論文もあわせてご覧ください。
論文は、「Forum Bildverarbeitung 2018」で発表されたものです。
デモ機の貸し出しも行っています。価格提示後、借用書にサインをいただければ、機器本体のほか、PC・ソフトも含めて1週間(5営業日)まで貸し出し可能です(返却の際の送料はご負担ください)。詳細はお問い合わせください。

5.SceneScanの用途

ステレオカメラSceneScanは、自動運転のほか、ロボットやロジスティクスの自律制御、大きな物体の測定などに適しています。

ロボットロボット
自動運転
ロジスティクス
大きな物体の測定

6.撮影例とデモ動画

撮影例:視差マップ(デプスマップ)

左が通常画像、右が視差マップ(デプスマップ)の画像。視差マップは、手前のものが赤っぽく、奥のものが青っぽく見えます。

撮影例:3Dポイントクラウド

視差マップから得られたデータをもとに、物体を三次元の点の集合(ポイントクラウド)として表現します。

製品使用デモ動画

SceneScanの使用デモンストレーションの様子を動画にまとめました。

7.製品モデルとスペック

概要

SceneScanは、カメラ部とプロセッサー部(画像処理部)に分かれて構成されています。カメラ部とプロセッサー部はUSB3.0ケーブルで接続します(下図参照)。
カメラ部には、nerian社製の「Karmin2」のほか、USB3.0対応の標準的な産業カメラを使うことができます。
プロセッサー部には、標準版の「SceneScan」とハイグレード版の「SceneScanPro」の2種類があります。いずれもFPGA(Field Programmable Gate Array)を搭載し、カメラから取り込んだ画像を、最先端のステレオマッチングアルゴリズムによってリアルタイムに視差マップ(デプスマップ)へと変換処理します。処理結果はコンピュータもしくは組み込みシステムに転送され、オープンソースとクロスプラットフォームのAPIを使用して、視差マップを3Dポイントクラウドに変換することができます。

機器構成イメージ図

製品の詳しい情報は、以下のカタログや論文もあわせてご覧ください。
論文は、「Forum Bildverarbeitung 2018」で発表されたものです。
デモ機の貸し出しも行っています。価格提示後、借用書にサインをいただければ、機器本体のほか、PC・ソフトも含めて1週間(5営業日)まで貸し出し可能です(返却の際の送料はご負担ください)。詳細はお問い合わせください。

SceneScan(プロセッサー部)スペック

プロセッサー部(画像処理部)には標準版の「SceneScan」とハイグレード版の「SceneScanPro」の2種類があり、それぞれのスペックは以下のとおりです(写真はSceneScanPro)。

ハードウェア仕様
電源 11 – 14 V DC
消費電力 10W以下(カメラなし)、20W(カメラあり)
寸法 104.5 × 105.5 × 45 mm without mounting brackets
104.5 × 130 × 45 mm with mounting brackets
重量 400 g
I/O: USB3.0 (2個), gigabit ethernet, GPIO
指令対応 CE, FCC, RoHS
ステレオマッチング
ステレオアルゴリズム セミグローバルマッチング (SGM)
最大解像度
SceneScan:
SceneScan Pro:

800 × 800 pixels
1856 × 1856 pixels

ピクセルフォーマット Mono8, Mono12, Mono12p, Mono12Packed
視差範囲
SceneScan:
SceneScan Pro:

64 to 128 pixels
96 to 256 pixels (32 pixel increment)

最大フレームレート
SceneScan:
SceneScan Pro:

30 fps
100 fps

サブピクセル解像度 4 bits (1/16 pixel)
ポストプロセス Erroneous disparity removal, noise removal, speckle filtering
モデル 視差範囲 画像サイズ
640 x 482 800 x 592 1280 x 960 1600 x 1200
SceneScan 64 pixels 45fps n/a n/a n/a
128 pixels 30fps 20fps n/a n/a
SceneScan Pro 128 pixels 100fps 65fps 23fps 15fps
256 pixels 60fps 40fps 13fps 8fps

Karmin2(カメラ部)スペック

Karmin2(カメラ部)のスペックは以下のとおりです。基線長(2つのレンズ間の距離)が10 cmのものと25 cmのものがあります。

カメラモジュール Basler daA1600-60um
センサー解像度 1600 x 1200 pixels
センサー e2v EV76C570
センサーフォーマット 1/1.8″
レンズ マウント C/CSマウント
色調 モノクロ
シャッター グローバルシャッター
インターフェース USB 3.0
トリガーインプット 4-pin Binder M8 connector
基線長 10 cm及び25 cm
マウント(カメラ下部) M3ねじ穴 4箇所
1/4″ UNC ねじ穴1か所 (三脚)
マウント(カメラ上部) M3ねじ穴 2箇所
重量(レンズ除く) 280g/10cm 基線長タイプ
450g/25cm 基線長タイプ
指令対応 CE, FCC, RoHS

距離と制度

基線長:10cm、解像度:800 × 592、焦点距離:8mmの場合

距離/デプス 誤差
0.39m 0.04cm
0.5m 0.06cm
1m 0.25cm
2m 1.01cm
5m 6.33cm
10m 25.6cm
20m 105cm
50m 714cm

焦点距離や基線長は、nerian社の以下のサイトにて計算できます。
https://nerian.com/support/resources/calculator/

8.サポートされているプラットフォームと規格

ソフトウェアは以下付属です
1.GUI
2.C++ APIあり、これによりOpenCV、PCLが使用できます。
3.ROS:ROS moduleがあります。
4.GenTL producerがありますので、MIL、Matlabで使用できます。

ROSのDriver nodeは以下ご参照ください
ROS node for SceneScan

9.FAQ

  • 最大でどのくらいの距離まで計測できるか?

    基線長を変えていただくことにより遠くを計測できます。
    基線長10cmで10メートルで誤差は、28.7cm、基線長25cmで20メートル45.7cm、50メートル296cmです。
    (この際のレンズ焦点距離8mm、画素数は800×592)

  • Lidarとの比較優位性は?

    Lidarとの違いは、垂直方向の検出です。自動車など使用する場合ですが、Lidarだと低い物体、
    例えば人が道路に寝ていたりするのは検出しずらい傾向があります。

  • FPGAで処理しているが、GPUベースのステレオカメラとの優位性は何か?

    GPUベースのステレオカメラと比較した場合、サイズが小型且つ低電力であることです。アルゴリズムによるので単純な比較はできないですが、精度は同等。FPGAのほうが安定したタイミングでのステレオマッチングが可能です。
    またFPGA単体処理ですので、GPUと違いOSは必要ありません。

  • なぜモノクロカメラを使用しているのか? カラーカメラは使えないか?

    ステレオカメラにおいてモノクロカメラのほうが最適です。カラーカメラは、フィルターが入っているため低い感度になってしまい画像がぼやける可能性があります。

  • Karmin2以外のカメラも使用できるか?

    USB3.0のモノクロカメラであれば基本的に対応可能です。以下のようなプレートを使用します。
    SceneScanの設計として、標準的な産業用カメラをユーザーが接続できるようにしております。これによりカスタマイズ性があがり、お求めのシステム設計が可能となります。
    カメラの型番等は購入前にメーカーと確認する必要がございます。

  • キャリブレーションはどのように行うか?

    校正ボードが付属されます。ボードを使って、付属ソフトで校正します。

  • デモ機のレンタルは可能か?

    価格提示後、借用書サインいただければ、1週間(5営業日)までの貸し出しは対応いたします。PC、ソフトも含めて貸し出します。(返却の際の送料はご負担ください)

  • PC、ステレオカメラはどのように接続されるか?またどのような構成でSceneScanを使用するか?

    以下のような構成となります。

  • APIの情報はあるか?

    こちらのリンクご参照ください。

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