3D-visiesystemen – welke is geschikt voor u?

Basisparameters om naar te kijken

Machine vision is een van de drijvende krachten achter industriële automatisering. Het is lange tijd vooral vooruitgegaan door de verbeteringen in 2D-beeldwaarneming en voor sommige toepassingen zijn 2D-methoden nog steeds een optimale keuze.

De meeste uitdagingen waar machine vision tegenwoordig voor staat, hebben echter een 3D-karakter. Daarom bekijkt dit artikel de methoden die 3D-visiesystemen mogelijk maken, waardoor een 3D-oppervlak kan worden vastgelegd .

Hoewel de markt een breed scala aan 3D-sensoroplossingen biedt, moet men de onderlinge verschillen 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 voldoet .

Dit artikel richt zich op de belangrijkste parameters van 3D-visiesystemen waarmee u rekening moet houden bij het selecteren van een oplossing voor een specifieke toepassing, en wat de afwegingen zijn als sommige parameters vrij hoog zijn . Elke parameter is onderverdeeld in 5 niveaus voor een betere vergelijking van de individuele technologieën en de mogelijkheden die ze bieden.

Ons volgende artikel zal bekijk de 3D-detectietechnologieën in detail en bespreek hun voordelen en beperkingen met betrekking tot de scanparameters.

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

A. Vluchttijd

• Gebiedsscan
• LiDAR

B. Op triangulatie gebaseerde methoden

• Lasertriangulatie (of profilometrie)
• Fotogrammetrie
• Stereovisie (passief en actief)
• Gestructureerd licht (één frame, meerdere frames)
• De nieuwe "parallel structured light"-technologie

Parameters

Scanvolume

Een typisch bedrijfsvolume van een systeem dat wordt gebruikt in metrologietoepassingen is ongeveer 100 mm x 100 mm x 20 mm, terwijl de standaardvereiste voor bin-picking-oplossingen ongeveer. 1m ³ . Dit lijkt misschien een simpele wijziging in parameters, maar verschillende technologieën kunnen uitblinken in verschillende bedrijfsvolumes .

Terwijl het vergroten van het bereik in de XY-richtingen meer gerelateerd is aan het FOV (gezichtsveld) van een systeem en kan worden uitgebreid door een bredere lens te gebruiken, brengt een vergroting in de Z-richting het probleem met zich mee om een ​​object scherp te houden. Dit wordt de scherptediepte genoemd . Hoe dieper de scherptediepte moet zijn, hoe kleiner het diafragma van de camera (of projector) moet zijn. Dit beperkt sterk het aantal fotonen dat de sensor bereikt en beperkt zo het gebruik van sommige technologieën voor een groter dieptebereik.

We kunnen vijf categorieën definiëren op basis van het scherptedieptebereik ​:

1. Zeer klein:tot 50 mm

2. Klein:tot 500 mm

3. Medium:tot 1500 mm

4. Groot:tot 4 m

5. Zeer groot:tot 100 m

Hoewel het dieptebereik van een camera vergroot kan worden door het diafragma te verkleinen, beperkt dit de hoeveelheid opgevangen licht (zowel van de lichtbron in een actief systeem als van een omgevingsverlichting). Een complexer probleem is het vergroten van het dieptebereik van een actief projectiesysteem, waarbij het verkleinen van het diafragma alleen het signaal beperkt, maar niet de omgevingsverlichting. Hier, op laser gebaseerde projectiesystemen (zoals die van de 3D-sensoren van Photoneo) uitblinken omdat ze in staat zijn om grote en praktische volumes voor robottoepassingen te realiseren.

Data-acquisitie &verwerkingstijd

Een van de meest waardevolle bronnen bij 3D-scannen is licht. Zoveel mogelijk fotonen van een juiste lichtbron in pixels krijgen is essentieel voor een goede signaal/ruis verhouding van de meting . Dit kan een uitdaging zijn voor een applicatie met een beperkte acquisitietijd.

Een andere belangrijke factor die de tijd beïnvloedt, is het vermogen van een technologie om objecten vast te leggen in beweging zonder te stoppen (voorwerpen op een lopende band, sensoren bevestigd aan een bewegende robot, enz.). Bij het overwegen van dynamische scènes zijn alleen "eenmalige benaderingen" van toepassing (gemarkeerd met een score van 5 in onze data-acquisitietijdparameter). Dit komt omdat andere benaderingen meerdere frames nodig hebben om een ​​3D-oppervlak vast te leggen. Als het gescande object beweegt of de sensor in beweging is, wordt de uitvoer dus vervormd.

Een ander aspect dat verband houdt met de cyclustijd is of een toepassing reactief is en eenonmiddellijk resultaat vereist (bijv. slimme robotica, sorteren, etc.) of het is voldoende om het resultaat later te leveren (bijv. offline metrologie, reconstructie van een plattegrond van een fabriek, digitalisering van plaats delict, enz.).

Over het algemeen geldt:hoe langer de acquisitietijd, hoe hoger de kwaliteit, en vice versa. Als een klant korte tijd en hoge kwaliteit nodig heeft, is de methode "parallel gestructureerd licht" de optimale oplossing.

Data-acquisitietijd​:

1. Zeer hoog:minuten en meer

2. Hoog:~5s

3. Gemiddeld:~2s

4. Kort:~500 ms

5. Heel kort:~50 ms

Gegevensverwerkingstijd​:

1. Zeer hoog:uren en meer

2. Hoog:~5s

3. Gemiddeld:~2s

4. Kort:~500 ms

5. Zeer kort:~50 ms

Oplossing

Resolutie is het vermogen van een systeem om details te herkennen . Hoge resolutie is nodig voor toepassingen met kleine 3D-functies binnen een groot bedrijfsvolume.

De grootste uitdaging bij het verhogen van de resolutie in alle op camera's gebaseerde systemen is de afname van de hoeveelheid licht die individuele pixels bereikt. Stelt u zich eens een toepassing voor van appelsortering op een lopende band. Aanvankelijk is alleen de grootte van een appel de sorteerparameter. Het kan echter ook nodig zijn dat de klant de aanwezigheid van een steel controleert. Uit de gegevensanalyse zou blijken dat men de objectbemonsteringsresolutie twee keer moet verlengen om de benodigde gegevens te verkrijgen.

Om de resolutie van objectbemonstering 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 opgedeeld in vier pixels). Het lastige is echter dat we de scherptediepte van het oorspronkelijke systeem moeten waarborgen. Om dat te doen, moeten we het diafragma verkleinen, waardoor het licht met nog een factor vier wordt beperkt. Dit betekent dat om de objecten in dezelfde kwaliteit vast te leggen, we ze zestien keer langer moeten blootstellen of zestien keer sterkere lichtbronnen moeten hebben. Dit beperkt sterk de maximaal mogelijke resolutie van real-time systemen.

Gebruik als vuistregel de minimaal vereiste resolutie om gescande objecten snel vast te kunnen leggen. Ook bespaar je wat tijd dankzij de kortere verwerkingstijd. Als alternatief hebben sommige apparaten (bijv. de PhoXi 3D-scanner van Photoneo) de mogelijkheid om te schakelen tussen gemiddelde en hoge resolutie ​ om aan de behoeften van een toepassing te voldoen.

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

1. Erg klein:~100.000 punten

2. Klein:~300.000 punten (VGA)

3. Gemiddeld:~1 miljoen punten

4. Hoog:~4 miljoen punten

5. Verlengd:~100 miljoen punten

Nauwkeurigheid en precisie

Nauwkeurigheid is het vermogen van een systeem om diepte-informatie op te halen. Hoewel sommige technologieën schaalbaar zijn om een ​​nauwkeurige meting te krijgen (zoals de meeste triangulatiesystemen), zijn sommige 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 um

5. Zeer hoog:~50 um

Robuustheid

Robuustheid verwijst naar het vermogen van een systeem om gegevens van hoge kwaliteit te leveren onder verschillende lichtomstandigheden. Sommige systemen zijn bijvoorbeeld afhankelijk van extern licht (zoals zonlicht of binnenverlichting) of ze kunnen alleen werken binnen beperkte omgevingslichtniveaus (licht dat geen deel uitmaakt van de werking van het systeem). Omgevingslicht verhoogt de intensiteitswaarden gerapporteerd door interne sensoren en verhoogt de meetruis .

Veel benaderingen proberen een hoger niveau van weerstand te bereiken met behulp van wiskunde (zoals het aftrekken van het zwartniveau), maar deze technieken zijn eerder beperkt. Het probleem zit hem in een specifieke ruis, genaamd "schotruis" of "kwantumruis" . Dit betekent dat als tienduizend fotonen gemiddeld een pixel bereiken, een vierkantswortel van dat aantal – honderd – de standaarddeviatie van onzekerheid is. .

Het probleem ligt in het niveau van de omgevingsverlichting. Als de "schotruis" veroorzaakt door omgevingsverlichting de signaalniveaus van de actieve verlichting van het systeem overtreft, neemt de schijnbare gegevenskwaliteit af . Met andere woorden, de omgevingsverlichting gaat gepaard met een onnodige ruis die uiteindelijk het bruikbare signaal kan overschrijden en zo de uiteindelijke 3D-gegevenskwaliteit kan verstoren.

Laten we externe voorwaarden definiëren waar een apparaat kan werken:

1. Binnen, donkere kamer

2. Binnen, afgeschermd bedrijfsvolume

3. Binnenshuis, sterke halogeenlampen en melkglazen ramen

4. Buiten, indirect zonlicht

5. Buiten, direct zonlicht

Als we het hebben over de robuustheid van het scannen van verschillende materialen ​, de doorslaggevende factor is het vermogen om met interreflecties te werken:

1. Diffuse, goed gestructureerde materialen (rotsen, …)

2. Diffuse materialen (witte muur)

3. Halfglanzende materialen (geanodiseerd aluminium)

4. Glanzende materialen (gepolijst staal)

5. Spiegelachtige oppervlakken (chroom)

Ontwerp en 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-classificatie, waarbij 3D-scanners van industriële kwaliteit moeten streven naar minimaal IP65.

Andere factoren zijn het gewicht en de grootte van een apparaat, die het gebruik ervan in sommige toepassingen beperken. Met een lichte en compacte, maar toch krachtige oplossing kunnen klanten deze vrijwel overal monteren. Dit is de reden waarom de PhoXi 3D Scanner is voorzien van een koolstofvezel behuizing ​. Naast thermische stabiliteit biedt het een laag gewicht, zelfs voor langere basislijnsystemen.

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 vision systeem is een andere belangrijke parameter. Een applicatie moet waarde toevoegen aan de klant. Het kan een cruciaal probleem oplossen (mogelijk een groot budget) of een proces zuiniger maken (budgetgevoelig).

Sommige prijsaspecten zijn gerelateerd aan bepaalde technologieën, andere worden bepaald door het productievolume of geleverde diensten en ondersteuning. In de afgelopen jaren heeft de consumentenmarkt goedkope 3D-waarnemingstechnologieën gebracht door gebruik te maken van massaproductie . Aan de andere kant hebben dergelijke technologieën nadelen zoals het ontbreken van de mogelijkheid voor maatwerk en upgrades, robuustheid, beschikbaarheid van productlijnen en beperkte ondersteuning .

3D-visietechnologieën op basis van hun prijs :

1. Zeer hoog:~100k EUR

2. Hoog:~25k EUR

3. Gemiddeld:~10.000 EUR

4. Laag:~1000 EUR

5. Zeer laag:~200 EUR

Nu weet u wat de basisparameters van 3D-visiesystemen zijn en welke rol ze allemaal spelen in specifieke toepassingen en voor verschillende doeleinden.

In ons volgende artikel wordt uitgelegd hoe de individuele 3D-waarnemingstechnologieën presteren met betrekking tot deze parameters, wat de fundamentele verschillen zijn en wat hun beperkingen en voordelen zijn.