3D 视觉系统 – 哪一个适合您？

要看的基本参数

机器视觉是工业自动化的驱动力之一。长期以来，二维图像传感的改进主要推动了它的发展，对于某些应用，二维方法仍然是最佳选择。

然而，当今机器视觉面临的大多数挑战都具有 3D 特征。因此，本文着眼于增强 3D 视觉系统的方法，从而能够捕获 3D 表面 .

虽然市场上提供了范围广泛的 3D 传感器解决方案，但人们需要了解它们之间的差异以及它们对特定应用的适用性。重要的是要认识到最终不可能开发出满足所有需求的最佳解决方案 .

本文重点介绍在为特定应用选择解决方案时应考虑的 3D 视觉系统的最重要参数，以及一些参数相当高的权衡 .每个参数分为 5 个级别，以便更好地比较各项技术及其提供的可能性。

我们的下一篇文章将 详细了解 3D 传感技术，并讨论它们在扫描参数方面的优势和局限性。

支持 3D 视觉系统的技术可分为以下几类：

A.飞行时间

• 区域扫描
• 激光雷达

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（被动和主动）
• 结构光（一帧，多帧）
• 新的“平行结构光”技术

参数

扫描体积

计量应用中使用的系统的典型操作体积约为 100 毫米 x 100 毫米 x 20 毫米，而拣选解决方案的标准要求约为 100 毫米。 1 米 ³ .这可能看起来像是参数的简单更改，但是，不同的技术可能在不同的操作量下表现出色 .

虽然在 XY 方向上增加范围与系统的 FOV（视场）更相关并且可以通过使用更宽的镜头来扩展，但在 Z 方向上的扩展会带来保持物体对焦的问题。这称为景深 . 景深越深 需要，相机的光圈越小 （或投影仪）必须。 这极大地限制了到达传感器的光子数量，从而限制了某些技术在更高深度范围内的使用。

我们可以根据景深范围定义五类 :

1. 非常小：可达 50 毫米

2.小​​：可达500mm

3.介质：最大1500mm

4.大：可达4m

5.非常大：可达100m

虽然可以通过减小光圈来扩展相机的深度范围，但这会限制捕获的光量 （来自有源系统中的光源和来自环境照明）。一个更复杂的问题是扩展有源投影系统的深度范围，其中减小孔径将仅限制信号而不是环境照明。在这里，基于激光的投影系统 （例如 Photoneo 的 3D 传感器）出色，因为它们能够为机器人应用实现大而实用的体积。

数据采集和处理时间

3D 扫描中最有价值的资源之一是光。从正确的光源中获取尽可能多的光子进入像素对于良好的测量信噪比至关重要 .对于采集时间有限的应用程序来说，这可能是一个挑战。

影响时间的另一个重要因素是技术捕获对象的能力 运动中 不停地（传送带上的物体、连接到移动机器人的传感器等）。在考虑动态场景时，只有“one-shot approaches”是适用的 （在我们的数据采集时间参数中标记为 5）。这是因为其他方法需要多个帧来捕获 3D 表面，因此如果扫描的物体移动或传感器在运动，输出将会失真。

与周期时间相关的另一个方面是应用程序是否具有反应性并且需要即时结果 （例如智能机器人、分类等）或者稍后交付结果就足够了 （例如离线计量、工厂平面图重建、犯罪现场数字化等）。

一般来说，采集时间越长，质量越高，反之亦然。如果客户要求时间短、质量高，“平行结构光”方式是最优方案。

数据采集时间 ：

1.非常高：分钟以上

2. 高：~5s

3. 中等：~2s

4. 短：~500 ms

5. 很短：~50 ms

数据处理时间 ：

1. 非常高：小时以上

2. 高：~5s

3. 中等：~2s

4. 短：~500 ms

5. 非常短：~50 ms

解决方案

分辨率是系统识别细节的能力 .对于在大操作体积内有小 3D 特征的应用程序，高分辨率是必需的。

在所有基于相机的系统中提高分辨率的最大挑战是减少到达单个像素的光量。 想象一下在传送带上分拣苹果的应用。最初，只有苹果的大小是排序参数。但是，客户可能还需要检查是否存在茎杆。数据分析表明，需要将对象采样分辨率扩展两倍才能得到必要的数据。

要将物体采样分辨率提高两倍，图像传感器的分辨率必须提高四倍。这将光量限制为四倍（相同的光流被分成四个像素）。然而，棘手的部分是我们需要确保原始系统的景深。为此，我们需要减小光圈，这会将光线限制为四倍。这意味着 要以相同的质量捕获物体，我们要么需要将它们暴露在 16 倍的时间下，要么需要有 16 倍强的光源。这极大地限制了实时系统的最大可能分辨率。

根据经验，使用能够快速捕获扫描对象所需的最低分辨率。由于处理时间更短，您还将节省一些时间。作为替代方案，某些设备（例如 Photoneo 的 PhoXi 3D 扫描仪）能够在中高分辨率之间切换 以满足应用程序的需求。

根据平均每次测量的 3D 点分为 5 个类别 , 或 XY 分辨率 :

1. 非常小：~100k 点

2.小​​：~300k点（VGA）

3. 中等：~1M 点

4.高：~4M点

5.扩展：~100M点

准确性和精确度

准确性是系统检索深度信息的能力。 虽然有些技术可以扩展以获得精确的测量（例如大多数三角测量系统），但有些技术不是因为物理限制（例如飞行时间系统）。

我们称之为深度分辨率 :

1. 非常小：>10 cm

2. 小：~2 厘米

3. 介质：~2 毫米

4. 高：~250 um

5. 很高：~50 um

稳健性

鲁棒性是指系统在各种光照条件下提供高质量数据的能力。例如，一些系统依赖于外部光 （例如阳光或室内照明）或者它们只能在有限的环境光水平（不属于系统运行的光）内运行。 环境光 增加内部传感器报告的强度值并增加测量噪音 .

许多方法试图使用数学（如黑色电平减法）来实现更高水平的阻力，但这些技术相当有限。问题在于一种特定的噪声，称为“散粒噪声”或“量子噪声” .这意味着如果一万个光子平均到达一个像素，则该数字的平方根（一百）就是不确定性的标准偏差 .

问题在于环境照明的水平。 如果环境照明引起的“散粒噪声”超过系统主动照明的信号电平，则表观数据质量会下降 .换句话说，环境照明伴随着不必要的噪声，最终可能会超过有用信号，从而扰乱最终的 3D 数据质量。

让我们定义外部条件 设备可以运行的地方：

1.室内，暗室

2.室内，屏蔽操作量

3.室内，强卤素灯，牛奶玻璃窗

4.户外，阳光直射

5.户外，阳光直射

在谈论扫描不同材料的稳健性时 ，决定性因素是处理相互反射的能力：

1. 漫射、质地良好的材料（岩石、……）

2.漫反射材质（白墙）

3. 半光材料（电化铝）

4. 光面材料（抛光钢）

5. 镜面（镀铬）

设计与连接

有几个因素会影响 3D 视觉系统的物理稳健性，并确保即使在具有挑战性的工业环境中也能保持高性能。其中包括热校准、PoE（以太网供电）和 24 V 等供电选项，以及足够的 IP 等级，工业级 3D 扫描仪的目标应至少达到 IP65。

另一个因素是设备的重量和尺寸，这限制了它在某些应用中的使用。拥有轻巧紧凑但功能强大的解决方案将使客户能够将其安装在任何地方。这就是 PhoXi 3D 扫描仪采用碳纤维主体的原因 .除了热稳定性外，它还具有重量轻的特点，即使对于较长的基线系统也是如此。

1. 很重：>20 kg

2. 重：~10kg

3.中型：~3kg

4. 轻：~1公斤

5. 很轻：~ 300 g

性价比

3D 视觉系统的价格是另一个重要参数。应用程序需要为客户带来价值。它可以解决一个关键问题（可能是一个大预算问题）或使过程更经济（对预算敏感）。

一些价格方面与特定技术有关，其他方面则由生产量或提供的服务和支持来定义。 近年来，消费市场通过大规模生产带来了廉价的3D传感技术 .另一方面，此类技术也有缺点，例如缺乏定制和升级的可能性、稳健性、产品线可用性和支持有限 .

基于价格 的 3D 视觉技术 :

1. 非常高：~10 万欧元

2. 高：~25k 欧元

3. 中等：~10k EUR

4. 低：~1000 欧元

5. 非常低：~200 欧元

现在您知道了 3D 视觉系统的基本参数是什么，以及它们各自在特定应用和不同目的中所扮演的角色。

我们的下一篇文章将解释各种 3D 传感技术在这些参数方面的表现，它们之间的基本区别是什么，它们的局限性和优势是什么。