De Juiste 3D-Visiesysteem Kiezen Voor Uw Industriële Automatiseringsbehoeftes

Basisparameters om naar te kijken

Machinevisie is een van de drijvende krachten van industriële automatisering. Lange tijd is het primair voortgedreven door verbeteringen in 2D-beeldsensing en voor sommige toepassingen zijn 2D-methoden nog steeds een optimale keuze.

Echter, de meerderheid van de uitdagingen waar machinevisie vandaag de dag mee te maken heeft, hebben een 3D-karakter. Daarom kijkt dit artikel naar de methoden die 3D-visiesystemen mogelijk maken, waardoor het vastleggen van een 3D-oppervlak mogelijk wordt.

Hoewel de markt een breed scala aan 3D-sensoroplossingen biedt, moet men de verschillen tussen hen en hun geschiktheid voor specifieke toepassingen begrijpen. Het is belangrijk om te beseffen dat het uiteindelijk onmogelijk is om een optimale oplossing te ontwikkelen die aan alle behoeften zou voldoen.

Dit artikel richt zich op de belangrijkste parameters van 3D-visiesystemen die men moet overwegen bij het selecteren van een oplossing voor een specifieke toepassing, en wat de trade-offs zijn van sommige parameters die vrij hoog zijn. Elke parameter is verdeeld in 5 niveaus voor een betere vergelijking van de individuele technologieën en de mogelijkheden die ze bieden.

Ons volgende artikel zal kijken naar de 3D-sensing technologieën in detail en hun voordelen en beperkingen bespreken met betrekking tot de scanparameters.

De technologieën die 3D-visiesystemen aandrijven, kunnen ingedeeld worden in de volgende categorieën:

A. Time-of-flight

• Area scan
• LiDAR

B. Triangulatie-gebaseerde methoden

• Laser triangulatie (of profilometrie)
• Fotogrammetrie 
• Stereo visie (passief en actief) 
• Gestructureerd licht (één frame, meerdere frames)
• De nieuwe "parallel structured light" technologie 

Parameters

Scanvolume 

Een typisch werkvolume van een systeem gebruikt in metrologie-toepassingen is ongeveer 100 mm x 100 mm x 20 mm, terwijl de standaardvereiste voor bin picking oplossingen approx. 1 m³ is. Dit kan eruitzien als een simpele parameterwijziging, echter, verschillende technologieën kunnen uitblinken bij verschillende werkvolumes.

Terwijl het vergroten van het bereik in de XY-richtingen meer gerelateerd is aan het FOV (zichtveld) van een systeem en uitgebreid kan worden door een breder lens te gebruiken, brengt een uitbreiding in de Z-richting het probleem van het in focus houden van een object. Dit heet de dieptereikwijdte. Hoえ dieper de dieptereikwijdte moet zijn, hoe kleiner de opening van de camera (of projector) moet zijn. Dit beperkt sterk het aantal fotonen dat de sensor bereikt en dus het gebruik van sommige technologieën voor een hogere dieptebereik.

We kunnen vijf categorieën definiëren op basis van het dieptereikwijdte bereik​:

1. Zeer klein: tot 50 mm

2. Klein: tot 500 mm

3. Gemiddeld: tot 1500 mm

4. Groot: tot 4 m

5. Zeer groot: tot 100 m

Terwijl het dieptebereik van een camera uitgebreid kan worden door de opening te verkleinen, zal dit het aantal vastgelegde fotonen beperken (zowel van de lichtbron in een actief systeem als van omgevingsverlichting). Een complexer probleem is het uitbreiden van het dieptebereik van een actief projectiesysteem, waar het verkleinen van de opening alleen het signaal beperkt maar niet de omgevingsverlichting. Hier blinken laser-gebaseerde projectiesystemen (zoals die van Photoneo's 3D-sensoren) uit omdat ze grote en praktische volumes voor robottoepassingen kunnen bereiken. 

Data-acquisitie & verwerkingstijd

Een van de meest waardevolle bronnen in 3D-scannen is licht. Zoveel mogelijk fotonen van een correcte lichtbron in pixels te krijgen is essentieel voor een goede signaal-ruisverhouding van de meting. Dit kan een uitdaging zijn voor een toepassing met een beperkte acquisitietijd.

Een ander belangrijk factor die de tijd beïnvloedt, is de capaciteit van een technologie om objecten in beweging vast te leggen zonder te stoppen (objecten op een transportband, sensoren bevestigd aan een bewegende robot, etc.). Bij het overwegen van dynamische scènes, zijn alleen "one-shot benaderingen" toepasbaar (gemarkeerd met een score van 5 in onze data-acquisitietijd parameter). Dit is omdat andere benaderingen meerdere frames vereisen om een 3D-oppervlak vast te leggen, dus als het gescande object beweegt of de sensor in beweging is, zou de output vervormd zijn.

Een ander aspect gerelateerd aan cyclus tijd is of een toepassing reactief is en een direct resultaat vereist (bijv. slimme robotica, sorteren, etc.) of het voldoende is om het resultaat later te leveren (bijv. offline metrologie, reconstructie van een fabrieksvloerplan, digitalisering van een misdaadplaats, etc.).

In het algemeen, hoe langer de acquisitietijd, hoe hoger de kwaliteit, en vice versa. Als een klant een korte tijd en hoge kwaliteit vereist, is de "parallel structured light" methode de optimale oplossing.  

Data-acquisitietijd​:

1. Zeer hoog: minuten en meer

2. Hoog: ~5s

3. Gemiddeld: ~2s

4. Kort: ~500 ms

5. Zeer kort: ~50 ms

Data-verwerkingstijd​:

1. Zeer hoog: uren en meer

2. Hoog: ~5s

3. Gemiddeld: ~2s

4. Kort: ~500 ms

5. Zeer Kort: ~50 ms

Resolutie

Resolutie is de capaciteit van een systeem om details te herkennen. Hoge resolutie is nodig voor toepassingen waar kleine 3D-functies binnen een groot werkvolume voorkomen.

De grootste uitdaging in het verhogen van de resolutie in alle camera-gebaseerde systemen is de afname van de hoeveelheid licht die individuele pixels bereikt. Stel u een toepassing van appels sorteren op een transportband voor. Initieel is alleen de grootte van een appel het sorteerparameter. Echter, de klant kan ook de aanwezigheid van een steel willen controleren. De data-analyse zou tonen dat men de object-samplingresolutie twee keer moet uitbreiden om de nodige data te krijgen.

Om de object-samplingresolutie twee keer te verhogen, moet de resolutie van de beeldsensor met een factor vier toenemen. Dit beperkt de hoeveelheid licht met een factor vier (dezelfde lichtstroom wordt verdeeld over vier pixels). Echter, het knappe deel is dat we de dieptereikwijdte van het oorspronkelijke systeem moeten garanderen. Om dat te doen, moeten we de opening verkleinen, wat het licht met nog een factor vier beperkt. Dit betekent dat om de objecten in dezelfde kwaliteit vast te leggen, we ze ofwel zestien keer zo lang moeten blootstellen of zestien keer sterkere lichtbronnen nodig hebben. Dit beperkt de maximale mogelijke resolutie van real-time systemen sterk.

Als vuistregel, gebruik de minimum vereiste resolutie om gescande objecten snel vast te leggen. U bespaart ook tijd dankzij de kortere verwerkingstijd. Als alternatief hebben sommige apparaten (bijv. Photoneo's PhoXi 3D Scanner) de mogelijkheid om te schakelen tussen medium en hoge resolutie​ om aan de behoeften van een toepassing te voldoen.

5 categorieën volgens gemiddelde 3D-punten per meting, of XY-Resolutie​:

1. Zeer klein: ~100k punten

2. Klein: ~300k punten (VGA)

3. Gemiddeld: ~1M punten

4. Hoog: ~4M punten

5. Uitgebreid: ~100M punten

Nauwkeurigheid & precisie

Nauwkeurigheid is de capaciteit van een systeem om diepte-informatie op te halen. Terwijl sommige technologieën schaalbaar zijn om een nauwkeurige meting te verkrijgen (zoals de meeste triangulatie-systemen), zijn sommige het niet vanwege fysieke beperkingen (zoals time-of-flight systemen). 

We noemen dit diepteresolutie​:

1. Zeer klein: >10 cm

2. Klein: ~2 cm

3. Gemiddeld: ~2 mm

4. Hoog: ~250 μm

5. Zeer hoog: ~50 μm

Robuustheid

Robuustheid verwijst naar de capaciteit van een systeem om hoge-kwaliteit data te leveren in diverse verlichtingsomstandigheden. Bijvoorbeeld, sommige systemen berusten op extern licht (zoals zonlicht of binnenverlichting) of ze kunnen alleen werken binnen beperkte omgevingslichtniveaus (licht dat geen deel uitmaakt van de systeembedrijfsvoering). Omgevingslicht verhoogt de intensiteitswaarden gerapporteerd door interne sensoren en verhoogt de meetruis.

Veel benaderingen proberen een hoger weerstandsniveau te bereiken met wiskunde (zoals zwarte-niveau aftrekking) maar deze technieken zijn tamelijk beperkt. Het probleem zit in een specifieke ruis, genaamd "shot noise", of "kwantumruis". Dit betekent dat als tienduizend fotonen gemiddeld een pixel bereiken, een vierkantswortel van dat getal — honderd — de standaarddeviatie van onzekerheid is.

Het probleem ligt in het niveau van de omgevingsverlichting. Als de "shot noise" veroorzaakt door omgevingsverlichting de signaalniveaus van de actieve verlichting van het systeem overstijgt, daalt de duidelijke data-kwaliteit. Met andere woorden, de omgevingsverlichting komt met een onnodige ruis die uiteindelijk het nuttige signaal kan overstijgen en dus de finale 3D-data-kwaliteit storen.

Laten we externe omstandigheden definiëren waar een apparaat kan opereren:

1. Binnen, donkere kamer

2. Binnen, afgeschermd werkvolume

3. Binnen, sterke halogenverlichting en melkglas ramen

4. Buiten, indirect zonlicht

5. Buiten, direct zonlicht

Als het gaat over de robuustheid van het scannen van verschillende materialen​, is de beslissende factor de capaciteit om met interreflecties te werken:

1. Diffuse, goed-getextureerde materialen (rotsen, ...)

2. Diffuse materialen (witte muur)

3. Half-glanzende materialen (geanodiseerd aluminium)

4. Glanzende materialen (gepolijst staal)

5. Spiegel-achtige oppervlakken (chroom)

Ontwerp & connectiviteit

Er zijn verschillende factoren die de fysieke robuustheid van 3D-visiesystemen beïnvloeden en hun hoge prestaties garanderen zelfs in uitdagende industriële omgevingen. Deze omvatten thermische kalibratie, voedingsopties zoals PoE (Power over Ethernet) & 24 V, en een adequate IP-waarde, waarbij industriële 3D-scanners ten minste IP65 moeten nastreven.

Andere factoren zijn het gewicht en de grootte van een apparaat, wat het gebruik in sommige toepassingen beperkt. Een lichte en compacte, maar krachtige oplossing zal klanten in staat stellen om het vrijwel overal te monteren. Dit is de reden waarom de PhoXi 3D Scanner een koolstofvezel behuizing​ heeft. Naast thermische stabiliteit, biedt het een licht gewicht zelfs voor langere basislijn systemen.

1. Zeer zwaar: >20 kg

2. Zwaar: ~ 10kg

3. Gemiddeld: ~ 3kg

4. Licht: ~ 1 kg

5. Zeer licht: ~ 300 g

Prijs/prestatieverhouding

De prijs van een 3D-visiesysteem is een andere belangrijke parameter. Een toepassing moet waarde toevoegen aan de klant. Het kan ofwel een kritiek probleem oplossen (mogelijk een groot-budget) of een proces economischer maken (budget-gevoelig).

Sommige prijaspecten zijn gerelateerd aan specifieke technologieën, andere worden gedefinieerd door het productievolume of geleverde diensten en ondersteuning. In de afgelopen jaren heeft de consumentenmarkt goedkope 3D-sensing technologieën gebracht door massaproductie te benutten. Aan de andere kant, dergelijke technologieën komen met nadelen zoals het gebrek aan mogelijkheid voor customizing en upgrades, robuustheid, productlijn beschikbaarheid, en beperkte ondersteuning.

3D-visietechnologieën gebaseerd op hun prijs​:

1. Zeer hoog: ~100k EUR

2. Hoog: ~25k EUR

3. Gemiddeld: ~10k EUR

4. Laag: ~1000 EUR

5. Zeer laag: ~200 EUR

Nu weet u wat de basisparameters van 3D-visiesystemen zijn en de rol die elk van hen speelt in specifieke toepassingen en voor verschillende doeleinden.

Ons volgende artikel zal uitleggen hoe de individuele 3D-sensing technologieën presteren met betrekking tot deze parameters, wat de basisverschillen tussen hen zijn, en wat hun beperkingen en voordelen zijn.