1-Bit 3-Dimensionale Bildgebung

• Antragsteller: Professor Dr. Bhaskar Choubey; Privatdozent Dr.-Ing. Miguel Heredia Conde
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Bild- und Sprachverarbeitung, Computergraphik und Visualisierung, Human Computer Interaction, Ubiquitous und Wearable Computing
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514479946

Time-of-Flight (ToF)-Kameras sind 3D-Bildgebungssysteme, die die Geometrie einer Szene erfassen können. Normalerweise wird das Quantisierungsschema kaum beachtet und eine gleichmäßige Quantisierung der Messungen mit einer ausreichenden Anzahl von Bits angenommen. In diesem Projekt wollen wir an die neuesten Ergebnisse anknüpfen, die zeigen, dass zuverlässige 3D-Mehrwegbilder aus Ein-Bit-quantisierten Daten gewonnen werden können. Das erste Ein-Bit-ToF-Pixel wird entwickelt, hergestellt und evaluiert. Die Fähigkeit, zuverlässige 3D-Bilder aus Ein-Bit-Daten zu erhalten, ermöglicht eine massive Reduzierung der von der Kamera zu erfassenden und zu übertragenden Daten. Dies reduziert die Hardware-Anforderungen in Bezug auf Speicher und Bandbreite. Darüber hinaus handelt es sich bei der Ein-Bit-ToF-Bildgebung um eine neue Form des inversen Problems, bei dem die Messungen einer nichtlinearen Transformation unterzogen wurden. Die Verringerung des Datenflusses pro Pixel ermöglicht auch größere ToF-Pixelarrays und ebnet den Weg für die Megapixel-ToF-Bildgebung. Die binäre Natur der Messungen macht auch ADC-Bänke überflüssig, was Platz auf den Chips spart und diese Entwicklung weiter vorantreibt. Obwohl bisher alle existierenden ToF-Kameras auf einer gleichmäßigen Quantisierung beruhen, haben Vorarbeiten von Dr. Heredia Conde die Durchführbarkeit des vorgeschlagenen Konzepts mit Hilfe realistischer Simulationen nachgewiesen. Diese ersten Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein solches Ein-Bit-ToF-Pixel bei gleichem Bit-Budget eine bessere Leistung aufweisen würde als alternative Erfassungssysteme, die auf unterschiedlichen Kompromissen zwischen der Anzahl der Messungen und der Bittiefe beruhen. In diesem Projekt werden wir die erste Ein-Bit-ToF-Kamera entwerfen und konstruieren. Diese Hardware-Neuheit wird mit einem algorithmischen Gegenstück gekoppelt, das die Geometrie der beobachteten Szene aus den Messungen abschätzen kann. Das Ergebnis wird ein neuartiges zeitaufgelöstes Bildgebungssystem sein, bei dem die Informationen zunächst in leichtgewichtige Ströme von Ein-Bit-Daten kodiert und dann in ein oder mehrere Tiefenbilder dekodiert werden. Die Entwicklung eines Ein-Bit-3D-Bildgebungssystems soll wie folgt ablaufen: Zunächst wird die Architektur des Ein-Bit-Pixels entworfen und simuliert. Dann wird ein einzelnes Pixel oder ein kleines Array zu Testzwecken hergestellt. Aufbauend auf den Erkenntnissen aus diesem ersten Gerät wird ein komplettes Array von ToF-Pixeln hergestellt und mit einem modulierten NIR-Beleuchtungssystem und einem Steuerschaltkreis integriert. Die notwendigen Algorithmen zur Rekonstruktion der 3D-Geometrie der Szene aus den gewonnenen Ein-Bit-Daten werden entwickelt. Dazu gehört auch die Entflechtung mehrerer überlagernden Lichtechos pro Pixel. Schließlich soll die Gesamtleistung des Systems als 3D-Abbildungssensor systematisch evaluiert und mit dem Stand der Technik sowie mit den Ergebnissen aus Simulationen verglichen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen