Как увеличение динамического диапазона на 20 дБ меняет промышленное 3D-сканирование

Обычно чем дальше вы сканируете, тем размытее становится изображение.

Промышленное 3D-сканирование упирается в стену:вы можете сканировать либо точно, либо сканировать далеко. Однако 3D-сканер PhoXi Gen3 преодолевает это ограничение благодаря множеству улучшений, таких как технология синего лазера или расширенный динамический диапазон.

Благодаря последним улучшениям теперь вы можете автоматизировать погрузку грузовиков, глубокую паллетизацию и крупносерийную сборку. 

Но что такое динамический диапазон в первую очередь? 

Что такое динамический диапазон в 3D-сканировании

Динамический диапазон в 3D-сканировании представляет собой соотношение между самыми сильными и самыми слабыми световыми сигналами, которые датчик может эффективно улавливать и обрабатывать. 

Эта характеристика, измеряемая в децибелах (дБ), напрямую определяет способность сканера извлекать значимые 3D-данные из сложных сцен, особенно на больших расстояниях.

В устройствах 3D-сканирования со структурированным светом, таких как 3D-сканер PhoXi, лазерный проектор создает узоры на целевых объектах, а камеры фиксируют отраженный свет для расчета трехмерных координат. 

Задача заключается в физике. По мере увеличения расстояния проецируемый свет распространяется и ослабевает по закону обратных квадратов, а отраженные сигналы становятся все более слабыми.

Объекты из разнообразных материалов и текстур, красочные облака точек Объекты различных материалов и текстур, нормали

Проблема расстояния

Фундаментальная физика, противодействующая 3D-сканированию на большие расстояния, включает в себя:

• Ухудшение сигнала: Интенсивность света уменьшается пропорционально квадрату расстояния.
• Шумовые помехи: Источники окружающего света конкурируют со структурированными световыми узорами.
• Проблемы воздействия: Удаленные объекты требуют более длительной выдержки, что увеличивает риск размытия изображения при движении.
• Снижение соотношения сигнал/шум: Слабые сигналы теряются в фоновом шуме.

Это создает то, что инженеры называют «дилеммой переэкспонирования или недоэкспонирования»:настройки, при которых снимаются удаленные объекты, часто перенасыщают близлежащие поверхности, а настройки, оптимизированные для близких объектов, не позволяют обнаружить удаленные объекты.

Как 3D-сканер PhoXi Gen3 достигает улучшенного динамического диапазона

В 3D-сканере PhoXi Gen3 достигается улучшение расширения динамического диапазона за счет многокомпонентного инженерного подхода, учитывающего каждый аспект цепочки захвата и обработки сигнала.

Многокомпонентный подход к разработке

<сильный>1. Технология синего лазера

Переход от красной к синей лазерной проекции дает множество преимуществ, основанных на физике:

• Преимущества более коротких волн: Синий лазерный свет имеет более короткую длину волны по сравнению с красным, что обеспечивает меньше шума за счет более мелких спекл-структур и спектральных структур шума, которые меньше искажают захваченные данные.
• Улучшенное рассеивание: Более короткие волны более эффективно рассеиваются на большем количестве поверхностей, улучшая читаемость рисунков на различных материалах.
• Увеличение энергии проецирования на 50 %: Модернизированное поколение проекционного блока с синим лазером обеспечивает на 50 % больше световой энергии при том же классе лазерной безопасности, улучшая мощность сигнала на расстоянии.

Структурированный световой поток Blue Laser

<сильный>2. Усовершенствованная технология датчика 5,1 МП

Новая архитектура датчика включает в себя несколько важных улучшений:

• Повышенная чувствительность: Улучшенная возможность захвата сигнала при слабых отражениях от удаленных объектов.
• Улучшенное соотношение сигнал/шум: Усовершенствованный дизайн пикселей снижает шумовые помехи.
• Возможности расширенного динамического диапазона: Поддержка аппаратного уровня для обработки сигналов в гораздо более широком диапазоне интенсивности.

<сильный>3. Обработка расширенного динамического диапазона

Сложные алгоритмы, встроенные непосредственно в устройство, обеспечивают:

• Обработка HDR в реальном времени: Передовое программное обеспечение и обработка на уровне датчиков, позволяющая обрабатывать экстремальные колебания сигнала.
• HDR с несколькими экспозициями: Одно детальное изображение для сложных сцен со смешанными расстояниями.
• Шумоподавление: Усовершенствованные методы фильтрации, сохраняющие слабые сигналы и устраняющие помехи.

<сильный>4. Оптимизированная оптическая система

Полная модернизация оптических компонентов включает в себя:

• Улучшенные линзы: Повышенная эффективность сбора света и лучшая фокусировка в расширенном диапазоне.
• Расширенные оптические фильтры: Оптимизированная фильтрация длин волн синего лазера и подавление окружающего света.
• Лучшее светопропускание: Снижение оптических потерь на всем пути света.

Реальная производительность:расстояние до 6 и более метров

Предыдущее поколение 3D-сканеров PhoXi установило отраслевые стандарты надежного сканирования на расстояние до более чем 4 метров. 

Gen3 расширяет эту возможность до 6+ метров, а экспериментальные демонстрации достигают нескольких десятков метров при открытии объемов сканирования.

Интересно, как открыть объем сканирования? Вот краткое руководство Томаса Михалика:

Результаты эксперимента

Открытие объема сканирования — это не просто теоретическая концепция. Мы уже демонстрировали реальные приложения, использующие эту технику: 

• Сканирование 17-метрового прицепа: Автоматизированные системы загрузки грузовиков успешно обнаруживают посторонние предметы по всей длине транспортных прицепов.
• Операции по глубокой паллетизации: Системы работают с высоты 5,2 метра, сохраняя точность для штабелей высотой 2,6 метра.
• Приложения с большим полем обзора: Решения с одним датчиком заменяют сложные конфигурации с несколькими датчиками.

3D-сканирование грузовика с расстояния 16 метров

Какую пользу вашему приложению может дать расширенный динамический диапазон

1. Упрощенная архитектура системы

Традиционный мультисенсорный подход:

• Несколько 3D-сканеров, требующих точной калибровки.
• Сложные алгоритмы объединения данных
• Увеличение числа отказов и требований к техническому обслуживанию.
• Более высокие первоначальные затраты и сложность интеграции.

Решение с одним датчиком PhoXi Gen3:

• Полное покрытие с помощью одного устройства.
• Устранена сложность калибровки между датчиками.
• Сокращение затрат на оборудование и времени установки.
• Упрощенные процедуры обслуживания.

2. Повышенная гибкость приложений

Логистические приложения:

• Автоматическая проверка погрузки грузовиков: Возможность сканирования салона прицепа длиной более 17 метров позволяет полностью обнаруживать посторонние предметы перед погрузкой, устраняя необходимость в использовании нескольких датчиков или ручных процессах проверки.
• Системы глубокой паллетизации: Датчики, установленные на высоте 5,2 метра над производственными операциями, могут точно направлять коллаборативных роботов при выполнении сложных задач по укладке на поддоны в штабеля длиной 2,6 метра, обеспечивая полную автоматизацию складских операций.
• Обработка больших контейнеров: Манипуляционные системы KLT (тоут) выигрывают от расширенного диапазона сканирования тонких кромок, что позволяет крупным промышленным роботам эффективно обрабатывать несколько слоев, сохраняя при этом точность.

Корзина для продуктов с прозрачными материалами

Приложения для автомобильной промышленности:

• Высокая сборка контейнеров: Большие промышленные роботы теперь могут работать с глубокими контейнерами, а датчики поддерживают безопасное расстояние, исключая риск столкновений и повышая эксплуатационную безопасность.
• Обнаружение боковой панели: Полный охват поля зрения обеспечивает локализацию монтажных отверстий и возможность одновременного контроля, упрощая сложные процессы сборки, которые ранее требовали нескольких систем технического зрения.
• Выбор деталей после штамповки: Датчики можно расположить на безопасном расстоянии от операций штамповки, сохраняя при этом поле обзора, необходимое для обработки деталей различной геометрии на одной линии штамповки.
• Осмотр большого подрамника: Автомобильные компоненты Giga Press и Hypercast требуют многоракурсного сканирования для контроля качества, обнаружения заусенцев и проверки размеров — теперь эти приложения доступны благодаря расширенным возможностям.

Чтобы узнать больше о применении наших 3D-сенсоров в автомобильной промышленности, посмотрите вебинар по 3D Vision &AI Robotics, который мы провели совместно с inVISION Days:

Нажмите, чтобы посмотреть по запросу

3. Эксплуатационные преимущества

Расширенный динамический диапазон приводит к значительным улучшениям в работе:

• Гибкое расположение датчика: Безопасные расстояния от роботизированных систем больше не ограничивают возможности сканирования.
• Обработка смешанных объектов: Отдельные системы могут обрабатывать как мелкие прецизионные детали, так и крупные сборки.
• Сокращение времени цикла: Устранение координации нескольких датчиков сокращает время сканирования.
• Повышенная надежность: Меньше компонентов системы означает меньше потенциальных точек отказа.

Физика производительности

Давайте разберемся, как мы можем этого добиться. 

Сила сигнала

Увеличение динамического диапазона на 20 дБ представляет собой значительное улучшение возможностей обработки сигналов. 

На практике это означает примерно 100-кратное улучшение способности датчика отличать полезные сигналы от фонового шума.

Это улучшение имеет прямое практическое значение:

• Возможность на расстоянии: Надежное сканирование простирается от 4 до 6 и более метров.
• Надежность сигнала: Сохранение точности во всем расширенном диапазоне.
• Универсальность материалов: Улучшена производительность на сложных поверхностях на расстоянии.

Интеграция подавления внешнего освещения

Расширенный динамический диапазон работает синергетически с технологией подавления окружающего света (ALS) 3.0 от Photoneo. Комбинация позволяет:

• Возможность сканирования на открытом воздухе: Прямые солнечные лучи больше не мешают надежному захвату 3D-данных.
• Переменная освещенность: Системы сохраняют производительность при изменении условий окружающей среды на протяжении всего периода эксплуатации.
• Гибкость в различных средах: Отдельные конфигурации надежно работают в различных сценариях освещения.

В технической реализации используются умные методы работы датчиков и алгоритмы обработки, позволяющие на несколько порядков устранить влияние окружающего света.

Он эффективно «отключает» помехи от окружающего освещения.

3D-сканирование коробок на открытом воздухе под прямыми солнечными лучами – PhoXi 3D Scanner Gen3

Отраслевые приложения и варианты использования

Логистика и складирование

• Системы проверки прицепа: Автоматизированные операции по погрузке грузовиков требуют проверки того, что прицепы пусты, прежде чем начать погрузку. Способность PhoXi Gen3 сканировать грузовые прицепы длиной 17 метров устраняет необходимость в использовании нескольких датчиков или ручных процессах проверки, что значительно повышает эффективность работы.
• Расширенные операции паллетирования: Системы глубокой паллетизации значительно выигрывают от возможностей расширенного диапазона. Датчики, установленные на высоте 5,2 метра над рабочими местами, могут направлять совместных роботов при выполнении сложных операций штабелирования, сохраняя при этом точность, необходимую для стабильной конструкции поддонов.
• Обработка посылок: Системы быстрого определения размеров и обнаружения дефектов в крупнообъемных логистических операциях требуют гибкости, позволяющей обрабатывать упаковки совершенно разных размеров в одном и том же объеме сканирования. Расширенный динамический диапазон позволяет использовать решения с одним датчиком для операций смешанного размера.
• Смешанная паллетизация: Требования к многоракурсному сканированию при смешанных операциях укладки на поддоны выигрывают от возможности одновременного использования красных и синих датчиков, что сокращает время сканирования на 50 % при сохранении полного охвата.

Красочное 3D-сканирование ярких и темных объектов на глубине до 6 метров, облако точек Обычные

Автомобильное производство

• Отбор из глубокой корзины: Большим промышленным роботам, работающим с глубокими контейнерами, требуются датчики, расположенные на безопасном расстоянии. Возможность расширенного диапазона обеспечивает точность и полный охват поля зрения, даже если датчики установлены значительно над рабочей зоной.
• Проверка качества крупных компонентов: Giga Press и автомобильные компоненты, изготовленные методом гиперлитья, представляют собой новый класс производственных задач. Эти большие цельные отливки требуют тщательного контроля на наличие заусенцев, точности размеров и качества поверхности. Многоракурсное сканирование с помощью датчиков расширенного диапазона обеспечивает полную проверку качества.
• Локализация сложных деталей: Обнаружение боковой панели и аналогичные приложения часто требуют локализации конкретных элементов (монтажных отверстий) при сохранении полной геометрии компонента. Расширенный диапазон и улучшенная полнота обеспечивают всестороннее понимание, которое ранее было невозможно с помощью одиночных датчиков.
• Проверка сборки: Крупные автомобильные сборки требуют систем проверки, которые могут фиксировать полные геометрические взаимосвязи, сохраняя при этом безопасное расстояние от активного производственного оборудования.

Новые приложения

• Проверка солнечной панели: Сочетание расширенного динамического диапазона и подавления окружающего освещения позволяет выполнять задачи наружного контроля, которые ранее были невозможны с помощью систем структурированного освещения.
• Применение в железнодорожной отрасли: Системы проверки колес поездов и пантографические системы мониторинга выигрывают от способности поддерживать безопасные расстояния при сборе точных геометрических данных.

Как работает внедрение

Простые функции интеграции

PhoXi Gen3 обеспечивает расширенный диапазон возможностей через удобный интерфейс:

Расширение объема калибровки в один клик: Функция «Открыть калибровочный объем» позволяет пользователям расширить диапазон сканирования за пределы параметров по умолчанию одним нажатием кнопки, доступной через:

• Графический интерфейс пользователя PhoXi Control
• Интеграция API
• Протоколы GigE Vision

Гибкие параметры конфигурации: Несколько вариантов разрешения гарантируют, что существующие пользователи предыдущих поколений смогут выполнить обновление, сохраняя при этом знакомые рабочие параметры. Новые установки могут в полной мере использовать расширенные возможности.

Преимущества проектирования системы

Гибкость монтажа: Возможность расширенного диапазона обеспечивает значительную гибкость в расположении датчика, позволяя:

• Оптимизация безопасного зазора вокруг роботизированных систем
• Уменьшение механической сложности в системах крепления датчиков.
• Улучшенная доступность для обслуживания и ремонта.

Масштабируемая архитектура: Системы могут быть сконфигурированы с одним датчиком для большинства приложений, а для наиболее требовательных сценариев доступны конфигурации с несколькими датчиками. Варианты красного и синего лазера обеспечивают действительно одновременное сканирование без помех.