Scheimpflugův princip: Optický trik starý 100 let překonává LiDAR v měření vzdáleností. Stačí běžná kamera a 3D tiskárna

Výzkumníci proměnili 122 let starý fotografický princip naklopené optiky v senzor, který měří vzdálenost bez laserového timingu. Poráží i klasický LiDAR.

Zdroj fotografie: GTRI

Theodor Scheimpflug si v roce 1904 nechal patentovat pravidlo, které dnes zná každý fotograf pracující s velkoplošnou kamerou: když objektová rovina, rovina objektivu a rovina snímače nejsou rovnoběžné, ale protínají se v jedné přímce, rovina ostrosti se „natáhne“ hluboko do scény. Tým Georgia Tech Research Institute (GTRI) si uvědomil, že totéž pravidlo funguje i obráceně: pokud senzor naklopíte pod přesným úhlem, každý pixel na něm odpovídá jiné vzdálenosti. Místo měření doby letu laserového pulzu, na kterém stojí klasický LiDAR, tak vzdálenost přečtete přímo z geometrie obrazu. Výsledek pojmenovali SCHORTY (Scheimpflug Optical Ranging Technology). A sestavili ho z průmyslové kamery Basler s rozlišením 1,3 megapixelu, 135mm objektivu a 3D tištěného držáku, který snímač drží pod úhlem dvaceti stupňů. Žádné rychlé detektory, žádná timingová elektronika, žádný modulovaný laser na přijímací straně.

Princip starý přes století, provedení z roku 2026

Scheimpflugův patent z roku 1904 sám odkazoval na ještě starší britský patent Julese Carpentiera z roku 1901, jde tedy o princip starý minimálně 124 let. Přesto ho v moderním dálkoměření nikdo systematicky nevyužíval. Proč? Chyběly tři věci najednou: dostatečně citlivé a rychlé CMOS snímače, levná a přesná optomechanika (čti: 3D tisk) a algoritmy schopné jednorázovou geometrickou kalibrací namapovat pixely na vzdálenost.

GTRI všechny tři díly složil dohromady. V aktivní variantě, kde laser svítí do atmosféry a kamera snímá rozptýlené světlo, tým demonstroval měření aerosolových profilů a optické turbulence v rozsahu od 6 metrů do 4 kilometrů. V květnu 2026 pak přišla pasivní verze: žádný vlastní laser, jen naklopená kamera sledující letící dron. Oktokoptéru i letoun s pevným křídlem systém spolehlivě sledoval do vzdálenosti 1,1 kilometru.

Kde SCHORTY skutečně překonává LiDAR, a kde ne

SCHORTY vítězí tam, kde klasický ToF LiDAR naráží na vlastní složitost:

• Hardwarová jednoduchost. Odpadají rychlé detektory, digitalizační elektronika a přesně pulzované laserové zdroje. Přijímací strana je kamera a objektiv.
• Krátké a střední vzdálenosti. ToF lidary mají u velmi krátkých distancí praktická omezení daná minimální dobou letu; SCHORTY snímá celý objektový pás najednou.
• Nízká hmotnost a spotřeba (SWaP-C). Prototyp z 3D tištěných dílů a běžně dostupných součástek je výrazně lehčí než srovnatelný lidarový modul.
• Atmosférické profilování. Měření rozptylu a turbulence podél laserového paprsku zvládá snapshotově, bez skenování.

Naopak tam, kde potřebujete hustou absolutní hloubkovou mapu celé scény (autonomní řízení, mobilní 3D skenování), LiDAR zůstává nepřekonaný. Průmyslové ToF moduly, jak je popisuje třeba Infineon, měří fázi a amplitudu pro každý pixel s nízkou výpočetní zátěží. SCHORTY má navíc geometrický háček: rozlišení se zhoršuje kvadraticky se vzdáleností. V půl kilometru odpovídá jeden pixel zhruba 25 metrům, v kilometru už stovce metrů. Mimo ideální objektovou rovinu navíc nastupuje defokus a neurčitost.

Event kamera jako další evoluce

Zvlášť zajímavá je varianta s event kamerou Prophesee EVK4. Na rozdíl od klasického snímače, který pořizuje celé snímky v pravidelných intervalech, event kamera reaguje jen na změny jasu: každý pixel pracuje nezávisle a s mikrosekundovou latencí. Pro sledování pohybujícího se cíle proti statickému pozadí je to ideální: dron se v datech „rozsvítí“, zatímco obloha a krajina zmizí.

GTRI navrhl systém tak, aby obě kamery (snímková Basler i událostní Prophesee) sdílely stejnou Scheimpflugovu geometrii s téměř shodnou velikostí pixelu (kolem 4,8 µm). Nejde tedy o jednorázový laboratorní hack, ale o platformu přenositelnou mezi typy senzorů. Budoucí lepší kamera automaticky zlepší i výkon celého systému, protože složitost nestojí v hardwaru, ale v kalibraci a algoritmech.

Co to znamená pro Česko

SCHORTY je zatím americký výzkumný prototyp. K 28. květnu 2026 získal tým grant Tech Ready na přechod od technické validace k průzkumu trhu; komerční produkt s termínem dodání neexistuje.

Stavební bloky jsou ale v Česku dostupné. Basler má v ČR partnerskou síť včetně kontaktu v Ostravě. Na FEL ČVUT běží granty zaměřené na událostmi řízené aktivní vidění a neuromorfní vnímání, katedra měření se věnuje senzorovým systémům pro drony a bezpečnost. A nejbližší praktické uplatnění? ČHMÚ už dnes provozuje síť lidarů a ceilometrů pro monitoring aerosolů v rámci evropské sítě EUMETNET E-PROFILE. Ústav fyziky atmosféry AV ČR má ve zřizovací listině přímo vývoj speciálních měřicích přístrojů. Scheimpflugův dálkoměr by sem zapadl přirozeně: levnější, lehčí, bez nároků na laserový timing.

Skutečný průlom není „kamera porazila LiDAR“

Nejzajímavější na SCHORTY není samotný souboj s LiDARem. Je to posun paradigmatu: část drahého a specializovaného měření vzdálenosti se přesouvá z elektroniky a laserového hardwaru do geometrie, kalibrace a softwaru. Levnější hardware je vykoupen tím, že přesnost a použitelnost víc závisí na kvalitě algoritmů a na tom, zda scéna odpovídá Scheimpflugově geometrii. Kdo zvládne software, může měřit vzdálenost s kamerou za zlomek ceny lidarového modulu. Kdo ne, dostane rozmazaný obrázek s dvacetistupňovým náklonem.

Sto dvacet dva let starý optický princip se právě stal softwarovým problémem. A softwarové problémy mají tendenci se řešit rychle.