选择适合工业自动化需求的3D视觉系统

需关注的基本参数

机器视觉是工业自动化驱动力之一。长期以来主要由2D图像感测改进推动，某些应用2D方法仍为最优选择。

然而，机器视觉面临的大多数挑战今日具有3D特性。因此，本文关注赋能3D视觉系统、实现3D表面捕获的方法。

市场提供广泛3D传感器方案，需理解其差异与特定应用适用性。重要的是认识到开发满足所有需求的最优方案终究不可能。

本文聚焦选择特定应用3D视觉系统时应考虑的最重要参数，及某些参数过高的权衡。每个参数分5级以便对比各技术及其提供的可能性。

下一篇文章将详细探讨3D传感技术，结合扫描参数讨论其优势与局限。

驱动3D视觉系统的技术可分为：

A. 飞行时间

• 面阵扫描
• LiDAR

B. 基于三角测量的方法

• 激光三角测量（或轮廓测量）
• 摄影测量
• 立体视觉（被动与主动）
• 结构光（单帧、多帧）
• 新型“并行结构光”技术

参数

扫描体积

计量应用典型工作体积约100×100×20 mm，箱式拾取标准需求约1 m³。虽看似简单参数变化，但不同技术在不同工作体积表现各异。

XY方向扩展范围更多关联系统FOV（视场），可用更广镜头扩展。Z方向扩展带来保持物体聚焦问题，即景深。景深需求越深，相机（或投影仪）光圈越小。这强烈限制到达传感器光子数，从而限制某些技术用于更大深度范围。

基于景深范围可定义五类：

1. 极小：≤50 mm
2. 小：≤500 mm
3. 中：≤1500 mm
4. 大：≤4 m
5. 极大：≤100 m

相机深度范围虽可通过缩小光圈扩展，但会限制捕获光量（主动系统光源与环境光均受限）。更复杂问题是扩展主动投影系统深度范围：缩小光圈仅限制信号而非环境光。激光投影系统（如Photoneo 3D传感器）在此表现优异，能实现适合机器人应用的大而实用体积。

数据获取与处理时间

3D扫描中最宝贵资源是光。将尽可能多正确光源光子导入像素，对测量信噪比至关重要。这对获取时间受限应用是挑战。

影响时间的另一重要因素是技术捕获运动中物体无需停止的能力（传送带物品、安装在移动机器人上的传感器等）。考虑动态场景，仅“单次快照方法”适用（在数据获取时间参数中标5分）。因其他方法需多帧捕获3D表面，若被测物体移动或传感器移动，输出会畸变。

另一与循环时间相关的方面：应用是否反应式需即时结果（如智能机器人、分拣等）或稍后交付结果即可（如离线计量、工厂平面重建、犯罪现场数字化等）。

一般而言，获取时间越长质量越高，反之亦然。若客户需短时间高质量，“并行结构光”法为最优解。

数据获取时间：

1. 极高：数分钟及以上
2. 高：~5s
3. 中：~2s
4. 短：~500 ms
5. 极短：~50 ms

数据处理时间：

1. 极高：数小时及以上
2. 高：~5s
3. 中：~2s
4. 短：~500 ms
5. 极短：~50 ms

分辨率

分辨率是系统识别细节的能力。大工作体积内存在微小3D特征的应用需要高分辨率。

所有基于相机系统提高分辨率的最大挑战是到达单个像素光量减少。设想传送带分拣苹果应用。最初仅以苹果大小为分拣参数。但客户可能还需检查果柄存在与否。数据分析显示需将物体采样分辨率提高两倍以获取必要数据。

将物体采样分辨率提高两倍，图像传感器分辨率需增加四倍。这使光量减少四倍（同等光流分给四倍像素）。棘手部分：需确保原系统景深。为此需缩小光圈，再限制光量四倍。意味着为同质量捕获物体，需暴露十六倍更长时间或光源强十六倍。这强烈限制实时系统最大可能分辨率。

经验法则：使用满足捕获扫描物体所需的最小分辨率，以快速捕获。也因处理时间缩短而节省时间。替代方案：某些设备（如Photoneo PhoXi 3D Scanner）具备在中高分辨率间切换能力以适配应用需求。

按平均每次测量3D点数或XY分辨率分5类：

1. 极小：~100k点
2. 小：~300k点（VGA）
3. 中：~1M点
4. 高：~4M点
5. 扩展：~100M点

精度与准确度

精度是系统获取深度信息能力。部分技术可缩放获取精确测量（如大多数三角测量系统），部分因物理限制不可（如飞行时间系统）。

称之为深度分辨率：

1. 极小：>10 cm
2. 小：~2 cm
3. 中：~2 mm
4. 高：~250 μm
5. 极高：~50 μm

鲁棒性

鲁棒性指系统在各种光照条件下提供高质量数据能力。例如，某些系统依赖外部光（阳光或室内照明）或仅能在有限环境光水平下工作（非系统运行光）。环境光增加内部传感器报告强度值并增加测量噪声。

许多方法尝试用数学手段（如黑电平减法）提高抗性，但技术有限。问题在于特定噪声——“散粒噪声”或“量子噪声”。意为平均每像素到达一万光子，其平方根——一百——是不确定性标准差。

问题在于环境照明水平。若环境照明导致的“散粒噪声”超越系统主动照明信号电平，表观数据质量下降。换言之，环境照明带来不必要噪声，最终可能淹没有用信号干扰最终3D数据质量。

定义设备可操作的外部条件：

1. 室内、暗室
2. 室内、屏蔽工作体积
3. 室内、强卤素灯与磨砂玻璃窗
4. 室外、间接阳光
5. 室外、直射阳光

谈扫描不同材料的鲁棒性，决定因素是处理互反射能力：

1. 漫反射、纹理良好材料（岩石等）
2. 漫反射材料（白墙）
3. 半光泽材料（阳极氧化铝）
4. 高光材料（抛光钢）
5. 镜面（铬）

设计与连接性

影响3D视觉系统物理鲁棒性、确保挑战性工业环境高性能的因素包括：热校准、供电选项如PoE（以太网供电）& 24V、适当IP防护等级（工业级3D扫描仪应至少IP65）。

其他因素：设备重量与尺寸限制某些应用使用。轻量紧凑且强大的方案允许客户几乎任意安装位置。这正是PhoXi 3D Scanner采用碳纤维机身原因。除热稳定性外，即使长基线系统也轻量化。

1. 极重：>20 kg
2. 重：~10 kg
3. 中：~3 kg
4. 轻：~1 kg
5. 极轻：~300 g

价格性能比

3D视觉系统价格是另一重要参数。应用需为客户创造价值。或解决关键问题（可能大预算），或使流程更经济（预算敏感）。

某些价格方面关联特定技术，其他由产量或提供的服务支持定义。近年消费市场利用大规模生产带来廉价3D传感技术。但此类技术伴随缺点：缺乏定制升级可能、鲁棒性、产品线可用性、支持有限。

按价格分3D视觉技术：

1. 极高：~100k EUR
2. 高：~25k EUR
3. 中：~10k EUR
4. 低：~1000 EUR
5. 极低：~200 EUR

现在您了解3D视觉系统基本参数及各参数在特定应用与不同目的中的作用。

下一篇文章将解释各3D传感技术在这些参数上的表现、基本差异、局限与优势。