คำอธิบายโดยละเอียดของอินเทอร์เฟซสัญญาณซิงโครไนซ์ของกล้องสองตา: การบรรลุการจัดแนวการรับแสงที่แม่นยำของภาพซ้ายและขวา

ในแอปพลิเคชันเช่น การรับรู้ความลึกแบบ 3D, SLAM สำหรับหุ่นยนต์, การนำทาง AGV แบบเคลื่อนที่, การสำรวจด้วยโดรน และการตรวจสอบออนไลน์ในอุตสาหกรรม กล้องสองตา (binocular camera) อาศัยความเหลื่อมของภาพมุมมองซ้ายและขวาในการคำนวณข้อมูล 3D หากมีความแตกต่างของเวลาเริ่มต้นการรับแสงระหว่างเซ็นเซอร์รับภาพซ้ายและขวา วัตถุจะเกิดการเบี่ยงเบนตำแหน่งในภาพ ทำให้การคำนวณพารัลแลกซ์ (parallax) ผิดเพี้ยน ภายใต้สภาวะการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง ความคลาดเคลื่อนนี้จะถูกขยายเพิ่มมากขึ้นอีก

เพื่อให้ได้การจัดตำแหน่งที่แม่นยำของภาพสองตา การควบคุมเวลาส่วนใหญ่ทำได้ผ่านอินเทอร์เฟซสัญญาณซิงโครไนซ์ อินเทอร์เฟซการซิงโครไนซ์ที่แตกต่างกันมีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในด้านความแม่นยำในการซิงโครไนซ์ วิธีการเดินสาย ระยะการส่งสัญญาณ และความสามารถในการต้านทานการรบกวน การเลือก схемыอินเทอร์เฟซการซิงโครไนซ์อย่างสมเหตุสมผลเป็นกุญแจสำคัญในการรับประกันการส่งออกข้อมูลความลึกสองตาที่เสถียรและเชื่อถือได้ บทความนี้จัดระเบียบประเภทอินเทอร์เฟซสัญญาณซิงโครไนซ์ที่ใช้กันทั่วไปสำหรับกล้องสองตาอย่างเป็นระบบ วิเคราะห์หลักการและขอบเขตการประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรมของโซลูชันต่างๆ

สัญญาณประเภทนี้เชื่อมต่อโดยตรงกับเซ็นเซอร์ภาพ ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการบรรลุการซิงโครไนซ์แบบมาสเตอร์-สเลฟภายในโมดูล โดยปกติจะถูกนำออกผ่านสาย FPC และทำหน้าที่เป็นสัญญาณพื้นฐานสำหรับการซิงโครไนซ์แบบฮาร์ดแวร์ของกล้องสองตา

FSYNC และ FSIN เป็นสัญญาณหลักสำหรับการซิงโครไนซ์แบบฮาร์ดของกล้องสองตา โดย FSIN เป็นอินพุตทริกเกอร์และ FSYNC เป็นเอาต์พุตการซิงโครไนซ์เฟรม ซึ่งอาศัยการควบคุมขอบพัลส์เพื่อเริ่มการรับแสงของเซนเซอร์ โดยทั่วไปโครงการใช้สถาปัตยกรรมแบบมาสเตอร์-สเลฟ: กล้องหลักส่งออกพัลส์ FSYNC และกล้องรองเชื่อมต่อกับ FSIN เพื่อรับสัญญาณทริกเกอร์ ทำให้เกิดการรับแสงพร้อมกันของเซนเซอร์ซ้ายและขวาด้วยความแม่นยำในการซิงโครไนซ์ระดับไมโครวินาที ระดับสัญญาณที่ใช้ทั่วไปคือ 1.8V และ 3.3V ซึ่งเป็นรูปแบบการซิงโครไนซ์ที่ต้องการสำหรับโมดูลกล้องสองตาแบบโกลบอลเอ็กซ์โพสเจอร์

จุดที่แตกต่าง: FSYNC ควบคุมการทริกเกอร์การรับแสงโดยตรง มีลำดับความสำคัญสูงกว่า VSYNC และเป็นสัญญาณหลักสำหรับการรับข้อมูลความลึกที่มีความแม่นยำสูง

VSYNC ทำเครื่องหมายตำแหน่งเริ่มต้นของเฟรมภาพและส่งออกพัลส์หนึ่งครั้งต่อเฟรม สามารถใช้สำหรับการจัดแนวเวลาของเฟรมภาพและยังรองรับการส่งออกสัญญาณอ้างอิงการซิงโครไนซ์ภายนอก อย่างไรก็ตาม VSYNC เป็นเพียงตัวแทนของการเริ่มต้นการส่งออกข้อมูลเฟรมและไม่สามารถควบคุมเวลาการรับแสงได้โดยตรง ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการปรับเทียบเวลาช่วยและไม่ได้ใช้เป็นสัญญาณซิงโครไนซ์หลักสำหรับการรับแสงของกล้องสองตา

HSYNC เป็นสัญญาณซิงโครไนซ์ข้อมูลพิกเซลแบบทีละแถวที่ใช้สำหรับการวิเคราะห์เวลาภายในของสตรีมข้อมูลภาพ และโดยทั่วไปจะไม่ใช้สำหรับการซิงโครไนซ์การรับแสงระหว่างกล้องสองตา

เซ็นเซอร์จะส่งระดับสัญญาณที่มีประสิทธิภาพในระหว่างขั้นตอนการรับแสง ซึ่งส่วนใหญ่ใช้สำหรับการซิงโครไนซ์ไฟเลเซอร์เติมแสงภายนอกและแหล่งกำเนิดแสง LED สโตรบ นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นสัญญาณอ้างอิงสถานะการซิงโครไนซ์ และถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในโซลูชันกล้องสองตาระบบแสงโครงสร้าง

การใช้งานสัญญาณพัลส์ TTL โดยอิงจาก GPIO อเนกประสงค์ แบ่งออกเป็น Sync-IN อินพุตแบบซิงโครนัส และ Sync-OUT เอาต์พุตแบบซิงโครนัส ตัวควบคุมหลักจะส่งพัลส์ทริกเกอร์เพื่อขับเคลื่อนกล้องซ้ายและขวาแบบซิงโครนัส รองรับการเชื่อมต่อเครือข่ายระดับโมดูลสองตาแบบหลายชุด เวอร์ชันอุตสาหกรรมสามารถเพิ่มการแยกด้วยออปโตคัปเปลอร์ รองรับอินพุตแรงดันกว้าง 0-24V และเพิ่มความสามารถในการต้านทานการรบกวนภายใต้สภาพการทำงานที่ซับซ้อนในสถานที่จริง

การผลิตจำนวนมากของโมดูลกล้องสองตา�ะนำสัญญาณซิงโครนัสไปยังคอนเนกเตอร์มาตรฐานเพื่อความสะดวกในการรวมเครื่องทั้งเครื่อง คอนเนกเตอร์ที่แตกต่างกันเหมาะสำหรับสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกัน

ตัวเลือกกระแสหลักสำหรับสถานการณ์กล้องสองตาอุตสาหกรรม หุ่นยนต์เคลื่อนที่ และ AGV การรวมพิน SYNC IN, SYNC OUT, แหล่งจ่ายไฟ GND มีประสิทธิภาพการป้องกันที่ยอดเยี่ยม ทนต่อการสั่นสะเทือน เหมาะสำหรับการเดินสายซิงโครนัสแบบแข็งที่ด้านอุปกรณ์

อินเทอร์เฟซเป้าหมายคู่ Ethernet อุตสาหกรรม ผสานการรวมอินพุต/เอาต์พุต Trigger และแหล่งจ่ายไฟ มักใช้สำหรับการตรวจสอบในโรงงานและอุปกรณ์สองตาเพื่อการวัดภาพ

โซลูชันกล้องสองตาสำหรับการส่งสัญญาณระยะไกล ช่อง AUX ส่งสัญญาณทริกเกอร์ซิงโครไนซ์แบบอิสระ รองรับการเชื่อมต่อเครือข่ายกล้องหลายตัวแบบดาวและแบบสายโซ่ เหมาะสำหรับสถานการณ์การติดตั้งแบบมัดสายยาว

อินเทอร์เฟซที่ใช้กันทั่วไปในกล้องสองตาแบบฝังตัว แยกสาย SYNC IN, SYNC OUT, GND ออกมาโดยอิสระ เดินสายและดีบักได้ง่าย เหมาะสำหรับการพัฒนาต้นแบบและการตรวจสอบอย่างรวดเร็ว

โซลูชันโมดูลฝังตัว MIPI CSI ดึงสัญญาณซิงโครไนซ์ FSYNC และ GPIO ออกมาจากพินของสายริบบิ้นโดยตรง มีขนาดกะทัดรัดเหมาะสำหรับหุ่นยนต์ โดรน และอุปกรณ์กล้องสองตาแบบมินิเอเจอร์สำหรับ IPC

ในสถานการณ์การส่งสัญญาณระยะไกล ชิป SerDes สามารถฝังสัญญาณเวลาซิงโครไนซ์ไว้ในสายข้อมูลภาพ ลดจำนวนชุดสายไฟภายนอก

ลิงก์ส่งสัญญาณ SerDes สามารถส่งสัญญาณนาฬิกาแบบซิงโครนัสพร้อมทั้งคงพินอิสระไว้สำหรับทริกเกอร์สัญญาณ FSYNC ซึ่งช่วยสร้างสมดุลระหว่างการส่งสัญญาณระยะไกลและความน่าเชื่อถือในการซิงโครไนซ์

ช่องสัญญาณ MIPI CSI-2 มีหน้าที่รับผิดชอบในการส่งข้อมูลภาพพิกเซลเท่านั้น การทริกเกอร์การรับแสงยังคงต้องใช้สายฮาร์ดแวร์ FSYNC/GPIO แยกต่างหากในการส่งออก โซลูชัน MIPI ระยะไกลรุ่นใหม่รองรับการส่งสัญญาณระยะไกลและมีกลไกการซิงโครไนซ์เวลามาพร้อมกัน

ข้อควรระวังที่สำคัญ: การซิงโครไนซ์แบบฝังตัวจัดอยู่ในวิธีการส่งสัญญาณเวล หากต้องการการจัดตำแหน่งการรับแสงระดับไมโครวินาที ยังคงจำเป็นต้องใช้พัลส์ทริกเกอร์จากฮาร์ดแวร์

กล้องสองตาที่มีพอร์ตเครือข่ายสามารถใช้โปรโตคอลเวลาที่แม่นยำ PTP โดยอาศัยสายเครือข่ายเพื่อให้เกิดการจัดแนวเวลาของกล้องหลายตัว

ข้อดี: ไม่จำเป็นต้องติดตั้งสายสัญญาณซิงโครไนซ์เพิ่มเติม ทำให้ง่ายต่อการติดตั้งเครือข่ายกล้องหลายตัว

ข้อเสีย: ทำได้เพียงการจัดแนวเวลเท่านั้น ไม่ใช่การทริกเกอร์การรับแสงแบบซิงโครไนซ์ด้วยฮาร์ดแวร์ โดยมีความแม่นยำในการซิงโครไนซ์ระดับสิบไมโครวินาที ฉากการเคลื่อนไหวความเร็วสูงมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาดเชิงลึก และเหมาะสมกว่าสำหรับฉากการตรวจจับแบบคงที่ ไม่แนะนำสำหรับ SLAM ความเร็วสูงและการวัด 3 มิติของวัตถุที่เคลื่อนไหว

1.โมดูลสองตาแบบโรลลิ่งชัตเตอร์ ในฉากส่วนใหญ่ไม่จำเป็นต้องใช้ฮาร์ดแวร์ FSYNC อาศัยการจัดแนวเวลาด้วยซอฟต์แวร์ **เมื่อใช้กล้องสองตาแบบโกลบอลชัตเตอร์สำหรับการวัดความลึกที่มีความแม่นยำสูง จำเป็นต้องใช้การซิงโครไนซ์พัลส์แบบฮาร์ด FSYNC**

2. การออกแบบการเดินสาย: การกำหนดเส้นทางสัญญาณซิงโครนัสต้องใช้กราวด์ร่วม การส่งสัญญาณระยะไกลให้ความสำคัญกับสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลหรือการทริกเกอร์แบบแยกออปโตคัปเปลอร์เพื่อลดการสั่นของสัญญาณซิงโครนัสที่เกิดจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า

3.การเลือกระดับ: ระดับของเซ็นเซอร์ไดโดยส่วนใหญ่คือ 1.8V และ GPIO ของโมดูลมักใช้ 3.3V; เวอร์ชันแยกทางอุตสาหกรรมรองรับแรงดันไฟฟ้าอินพุตแบบกว้าง 0-24V

ไม่มีวิธีแก้ปัญหาแบบสากลสำหรับอินเทอร์เฟซการซิงโครไนซ์กล้องสองตา และการเลือกจำเป็นต้องประเมินอย่างครอบคลุมตามสถานการณ์การใช้งาน สำหรับสถานการณ์การตรวจจับแบบคงที่สามารถใช้การซิงโครไนซ์เวลาผ่านเครือข่าย PTP; สำหรับสถานการณ์ที่มีความแม่นยำสูง เช่น หุ่นยนต์ โดรน และการวัดแบบ 3D ความเร็วสูง ควรเลือกใช้การซิงโครไนซ์พัลส์ฮาร์ดแวร์ FSYNC เป็นอันดับแรก โดยพิจารณาจากระยะการส่งสัญญาณ สภาพแวดล้อมการสั่นสะเทือน และต้นทุนการเดินสายของเครื่องทั้งหมด ประกอบกับอินเทอร์เฟซทางกายภาพที่เหมาะสม จะสามารถเพิ่มเสถียรภาพและลดข้อผิดพลาดของข้อมูลความลึกจากกล้องสองตาได้สูงสุด และใช้ประโยชน์จากข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพของการมองเห็นแบบสองตาในด้านการรับรู้ 3D ได้อย่างเต็มที่