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。
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