Системы трехмерного зрения – какая из них подходит именно вам?

Основные параметры, на которые стоит обратить внимание

Машинное зрение — одна из движущих сил промышленной автоматизации. Долгое время его продвигали в первую очередь улучшения в восприятии 2D-изображений, и для некоторых приложений 2D-методы по-прежнему являются оптимальным выбором.

Однако большинство проблем, с которыми сегодня сталкивается машинное зрение, носят трехмерный характер. Поэтому в этой статье рассматриваются методы, расширяющие возможности систем трехмерного зрения и позволяющие захватывать трехмерную поверхность. .

Хотя рынок предлагает широкий спектр решений для 3D-датчиков, необходимо понимать различия между ними и их пригодность для конкретных приложений. Важно понимать, что в конечном счете невозможно разработать оптимальное решение, которое удовлетворило бы все потребности. .

В этой статье основное внимание уделяется наиболее важным параметрам систем 3D-видения, которые следует учитывать при выборе решения для конкретного приложения, а также тому, каковы компромиссы, связанные с довольно высокими значениями некоторых параметров. . Каждый параметр разделен на 5 уровней для лучшего сравнения отдельных технологий и предоставляемых ими возможностей.

Наша следующая статья будет подробно рассмотреть технологии 3D-зондирования и обсудить их преимущества, а также ограничения в отношении параметров сканирования.

Технологии, лежащие в основе систем 3D-зрения, можно разделить на следующие категории:

А. Время полета

• Сканирование области
• Лидар

Б. Методы на основе триангуляции

• Лазерная триангуляция (или профилометрия)
• Фотограмметрия
• Стереовидение (пассивное и активное)
• Структурированный свет (один кадр, несколько кадров)
• Новая технология "параллельного структурированного света"

Параметры

Объем сканирования

Типичный рабочий объем системы, используемой в метрологических приложениях, составляет около 100 мм x 100 мм x 20 мм, в то время как стандартные требования к решениям для комплектования контейнеров составляют прибл. 1 м ³ . Это может выглядеть как простое изменение параметров, однако разные технологии могут превосходить другие рабочие объемы. .

В то время как увеличение диапазона в направлениях XY больше связано с FOV (полем зрения) системы и может быть расширено за счет использования более широкой линзы, расширение в направлении Z создает проблему удержания объекта в фокусе. Это называется глубина резкости. . Чем больше глубина резкости должно быть, чем меньше апертура камеры (или проектор) должен быть. Это сильно ограничивает количество фотонов, достигающих сенсора, и, таким образом, ограничивает использование некоторых технологий для большего диапазона глубин.

Мы можем определить пять категорий на основе диапазона глубины резкости. ​:

1. Очень маленький:до 50 мм

2. Маленький:до 500 мм

3. Средний:до 1500 мм

4. Большой:до 4 м

5. Очень большие:до 100 м

Хотя диапазон глубины камеры может быть увеличен за счет уменьшения апертуры, это ограничит количество захватываемого света (как от источника света в активной системе, так и от окружающего освещения). Более сложная проблема заключается в расширении диапазона глубины активной проекционной системы, где уменьшение апертуры ограничит только сигнал, но не окружающее освещение. Здесь лазерные проекционные системы. (например, 3D-сенсоры Photoneo) превосходны, поскольку они могут достигать больших и практичных объемов для приложений роботов.

Время сбора и обработки данных

Свет — один из самых ценных ресурсов 3D-сканирования. Получение как можно большего количества фотонов от правильного источника света в пикселях необходимо для получения хорошего соотношения сигнал-шум при измерении . Это может быть проблемой для приложения с ограниченным временем сбора данных.

Еще одним важным фактором, влияющим на время, является способность технологии фиксировать объекты . в движении без остановки (предметы на конвейерной ленте, датчики, прикрепленные к движущемуся роботу и т. д.). При рассмотрении динамических сцен применимы только «одноразовые подходы». (отмечен оценкой 5 в нашем параметре времени сбора данных). Это связано с тем, что другие подходы требуют нескольких кадров для захвата 3D-поверхности, поэтому, если сканируемый объект движется или датчик находится в движении, выходные данные будут искажены.

Еще один аспект, связанный со временем цикла, заключается в том, является ли приложение реактивным и требует мгновенного результата. (например, умная робототехника, сортировка и т. д.) или достаточно предоставить результат позже (например, автономная метрология, реконструкция плана завода, оцифровка места преступления и т. д.).

В целом, чем дольше время сбора данных, тем выше качество, и наоборот. Если заказчику требуются короткие сроки и высокое качество, оптимальным решением является метод «параллельного структурированного света».

Время сбора данных​:

1. Очень высокий:минуты и более

2. Высокий:~5 с

3. Средний:~2 сек.

4. Короткий:~500 мс

5. Очень короткий:~50 мс

Время обработки данных​:

1. Очень высокий:часы и более

2. Высокий:~5 с

3. Средний:~2 сек.

4. Короткий:~500 мс

5. Очень короткий:~50 мс

Разрешение

Разрешение — это способность системы распознавать детали. . Высокое разрешение необходимо для приложений, в которых есть небольшие 3D-элементы в большом рабочем объеме.

Самая большая проблема при повышении разрешения во всех системах на базе камер — уменьшение количества света, попадающего на отдельные пиксели. Представьте себе применение сортировки яблок на конвейерной ленте. Изначально параметром сортировки является только размер яблока. Однако покупателю также может потребоваться проверить наличие стебля. Анализ данных показал бы, что для получения необходимых данных необходимо увеличить разрешение выборки объектов в два раза.

Чтобы увеличить разрешение выборки объектов в два раза, необходимо увеличить разрешение датчика изображения в четыре раза. Это ограничивает количество света в четыре раза (один и тот же световой поток делится на четыре пикселя). Однако сложная часть заключается в том, что нам нужно обеспечить глубину резкости исходной системы. Для этого нам нужно уменьшить апертуру, что ограничит свет еще в четыре раза. Это означает, что чтобы запечатлеть объекты с тем же качеством, нам нужно либо подвергать их воздействию в шестнадцать раз больше времени, либо нам нужны источники света в шестнадцать раз сильнее. Это сильно ограничивает максимально возможное разрешение систем реального времени.

Как правило, используйте минимально необходимое разрешение, чтобы иметь возможность быстро сканировать объекты. Вы также сэкономите время благодаря более короткому времени обработки. В качестве альтернативы некоторые устройства (например, 3D-сканер Photoneo PhoXi) имеют возможность переключаться между средним и высоким разрешением. чтобы соответствовать потребностям приложения.

5 категорий в соответствии со средним значением 3D-точек на измерение , или Разрешение XY ​:

1. Очень маленький:~100 тыс. баллов

2. Маленький:~300 тыс. точек (VGA)

3. Средний:~1 миллион баллов

4. Высокий:~4 млн баллов

5. Расширенный:~100 млн баллов

Точность и достоверность

Точность — это способность системы получать информацию о глубине. Хотя некоторые технологии можно масштабировать для получения точных измерений (например, большинство систем триангуляции), другие нельзя масштабировать из-за физических ограничений (например, системы времени пролета).

Мы называем это разрешением по глубине. ​:

1. Очень маленький:>10 см

2. Маленький:~2 см

3. Средний:~2 мм

4. Высокий:~250 мкм

5. Очень высокий:~50 мкм

Надежность

Надежность относится к способности системы предоставлять высококачественные данные в различных условиях освещения. Например, некоторые системы полагаются на внешний свет. (например, солнечный свет или внутреннее освещение), или они могут работать только при ограниченных уровнях окружающего освещения (свет, который не является частью работы системы). Рассеивающий свет увеличивает значения интенсивности, сообщаемые внутренними датчиками, и увеличивает шум измерения .

Многие подходы пытаются достичь более высокого уровня сопротивления с помощью математики (например, вычитание уровня черного), но эти методы довольно ограничены. Проблема связана с особым шумом, называемым "дробовым шумом" или "квантовым шумом". . Это означает, что если десять тысяч фотонов в среднем достигают пикселя, квадратный корень из этого числа — сто — является стандартным отклонением неопределенности. .

Проблема кроется в уровне окружающего освещения. Если "дробовой шум", вызванный окружающим освещением, превышает уровни сигнала от активного освещения системы, видимое качество данных падает . Другими словами, окружающее освещение сопровождается ненужным шумом, который в конечном итоге может превзойти полезный сигнал и, таким образом, нарушить качество окончательных 3D-данных.

Определим внешние условия. где устройство может работать:

1. В помещении, темная комната

2. В помещении, экранированный рабочий объем

3. В помещении яркое галогенное освещение и окна из молочного стекла

4. На открытом воздухе, непрямой солнечный свет

5. На открытом воздухе, под прямыми солнечными лучами

Говоря о надежности сканирования различных материалов ​, решающим фактором является умение работать с взаимоотражениями:

1. Рассеянные материалы с хорошей текстурой (камни и т. д.)

2. Рассеянные материалы (белая стена)

3. Полуглянцевые материалы (анодированный алюминий)

4. Глянцевые материалы (полированная сталь)

5. Зеркальные поверхности (хром)

Дизайн и подключение

Существует несколько факторов, влияющих на физическую надежность систем трехмерного зрения и обеспечивающих их высокую производительность даже в сложных промышленных условиях. К ним относятся тепловая калибровка, варианты питания, такие как PoE (Power over Ethernet) и 24 В, а также соответствующий класс защиты IP, согласно которому 3D-сканеры промышленного уровня должны стремиться к минимуму IP65.

Другими факторами являются вес и размер устройства, которые ограничивают его использование в некоторых приложениях. Наличие легкого и компактного, но мощного решения позволит клиентам установить его практически в любом месте. Именно по этой причине 3D-сканер PhoXi имеет корпус из углеродного волокна. . Наряду с термической стабильностью он обеспечивает малый вес даже для более длинных базовых систем.

1. Очень тяжелый:>20 кг

2. Тяжелый:~ 10 кг

3. Средний:~ 3 кг

4. Легкий:~ 1 кг

5. Очень легкий:~ 300 г

Соотношение цена/качество

Еще одним важным параметром является цена системы 3D-видения. Приложение должно приносить пользу клиенту. Он может либо решить критическую проблему (возможно, крупнобюджетную), либо сделать процесс более экономичным (зависимым от бюджета).

Некоторые ценовые аспекты связаны с конкретными технологиями, другие определяются объемом производства или предоставляемых услуг и поддержки. В последние годы на потребительском рынке появились дешевые технологии 3D-зондирования за счет массового производства. . С другой стороны, такие технологии имеют недостатки, такие как отсутствие возможности настройки и обновления, надежность, доступность линейки продуктов и ограниченная поддержка .

Технологии 3D-зрения в зависимости от их цены :

1. Очень высокий:~100 000 евро

2. Высокий:~25 000 евро

3. Средний:~10 000 евро

4. Низкий:~1000 евро

5. Очень низкая:~200 евро

Теперь вы знаете, каковы основные параметры систем 3D-видения и какую роль каждый из них играет в конкретных приложениях и для разных целей.

В нашей следующей статье мы объясним, как отдельные технологии 3D-зондирования работают в отношении этих параметров, каковы основные различия между ними и каковы их ограничения и преимущества.