动态范围提升 20dB 如何改变工业 3D 扫描

通常，扫描的距离越远，图像就越模糊。

工业 3D 扫描遇到了瓶颈：要么可以精确扫描，要么可以扫描很远。不过，得益于蓝色激光技术或扩展动态范围等大量改进，PhoXi 3D 扫描仪 Gen3 突破了这一限制。

得益于最新的改进，您现在可以实现卡车装载、深度码垛和大规模装配的自动化。 

但首先动态范围是多少？ 

什么是 3D 扫描中的动态范围

3D 扫描中的动态范围表示传感器可以有效捕获和处理的最强和最弱光信号之间的比率。 

该规格以分贝 (dB) 为单位，直接决定了扫描仪从具有挑战性的场景中提取有意义的 3D 数据的能力，尤其是在远距离情况下。

在 PhoXi 3D 扫描仪等结构光 3D 扫描设备中，激光投影仪在目标物体上创建图案，而相机捕获反射光以计算 3D 坐标。 

挑战在于物理学。随着距离的增加，投射光根据平方反比定律扩散并减弱，而反射信号则变得越来越微弱。

不同材质和纹理的物体，彩色点云 不同材质和纹理、法线的对象

距离问题

影响远程 3D 扫描的基本物理原理包括：

• 信号衰减： 光强度随距离的平方而减弱。
• 噪音干扰： 环境光源与结构光图案竞争。
• 曝光挑战： 远处的物体需要更长的曝光时间，从而增加运动模糊的风险。
• 信噪比下降： 微弱的信号会消失在背景噪音中。

这就造成了工程师所说的“曝光过度与曝光不足的困境”——捕捉远处物体的设置通常会使附近的表面过饱和，而针对近距离物体优化的设置却无法检测远处的特征。

PhoXi 3D 扫描仪 Gen3 如何提高动态范围

PhoXi 3D 扫描仪 Gen3 通过解决信号捕获和处理链各个方面的多组件工程方法实现了动态范围扩展的改进。

多组件工程方法

1.蓝色激光投影技术

从红色激光投影到蓝色激光投影的转变提供了多种基于物理的优势：

• 较短波长的好处： 与红色激光相比，蓝色激光的波长更短，通过更精细的散斑结构和光谱噪声模式提供更少的噪声，从而减少对捕获数据的干扰。
• 增强散射： 较短的波长可以更有效地在更多种类的表面上散射，从而提高不同材料上图案的可读性
• 投射能量提升 50%： 重新设计的一代配备蓝色激光投影单元，在相同的激光安全等级下，光能增加了 50%，从而提高了远距离信号强度

蓝色激光的结构光图案

2.先进的 5.1MP 传感器技术

新的传感器架构包含了几项关键改进：

• 增强灵敏度： 对远处物体的微弱反射具有更好的信号捕获能力
• 提高信噪比： 先进的像素设计减少噪音干扰
• 扩展动态范围功能： 硬件级支持在更广泛的强度范围内处理信号

3.高动态范围处理

直接内置于设备中的复杂算法提供：

• 实时 HDR 处理： 先进的软件和传感器级处理，可处理极端的信号变化
• 多重曝光 HDR： 适用于具有混合距离的复杂场景的单个详细图像。
• 噪音抑制： 先进的滤波技术可保留微弱信号，同时消除干扰

4.优化光学系统

光学元件的全面重新设计包括：

• 改进的镜头： 提高光收集效率并在更远的范围内更好地聚焦
• 高级光学滤镜： 针对蓝色激光波长和环境光抑制优化过滤
• 更好的透光性： 减少整个光路的光学损耗

真实世界性能：最远 6 米以上距离

上一代 PhoXi 3D 扫描仪以超过 4 米的可靠扫描距离树立了行业基准。 

Gen3 将这一能力扩展到 6 米以上，实验演示在扫描体积打开时可达数十米。

想知道如何打开扫描音量？以下是 Tomas Michalik 的快速指南：

实验结果

打开扫描空间不仅仅是一个理论概念。我们已经使用此技术演示了实际应用程序：

• 17米拖车扫描： 自动卡车装载系统成功检测整个运输拖车的异物
• 深度码垛操作： 系统在 5.2 米高度运行，同时保持 2.6 米高烟囱的精度
• 大视场应用： 单传感器解决方案取代复杂的多传感器配置

16 米外卡车的 3D 扫描

您的应用如何从扩展的动态范围中受益

1。简化的系统架构

传统的多传感器方法：

• 需要精确校准的多个 3D 扫描仪
• 复杂的数据拼接算法
• 故障点和维护要求增加
• 初始成本较高，集成复杂性较高

PhoXi Gen3 单传感器解决方案：

• 一台设备实现全面覆盖
• 消除了传感器之间校准的复杂性
• 减少硬件成本和安装时间
• 简化的维护程序

2。增强的应用灵活性

物流应用：

• 自动化卡车装载检查： 扫描 17 米以上拖车内部的能力可以在装载操作之前实现完整的异物检测，从而无需多个传感器或手动检查过程。
• 深度码垛系统： 安装在操作上方 5.2 米处的传感器可以准确引导协作机器人在 2.6 米堆垛上完成复杂的码垛任务，从而实现全自动仓库操作。
• 大型集装箱装卸： KLT（手提袋）操纵系统受益于薄边缘的大范围扫描，使大型工业机器人能够有效地处理多层，同时保持精度。

透明材料杂货箱

汽车应用：

• 高位垃圾箱拣选： 大型工业机器人现在可以使用深箱，同时传感器保持安全间隙距离，消除碰撞风险并提高操作安全性。
• 侧面板检测： 完整的视场覆盖可实现安装孔的定位和同步检测功能，从而简化了以前需要多个视觉系统的复杂装配流程。
• 冲压后零件拾取： 传感器可以放置在距冲压操作安全距离处，同时保持在一条冲压线上处理不同零件几何形状所需的视野。
• 大型副车架检查： Giga Press 和超铸造汽车零部件需要多视角扫描来进行质量控制、毛刺检测和尺寸验证 - 现在通过扩展范围功能实现了这些应用。

要了解有关我们的 3D 传感器在汽车行业的应用的更多信息，请观看我们与 inVISION Days 合作举办的 3D 视觉和人工智能机器人网络研讨会：

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3。运营优势

扩展的动态范围意味着显着的操作改进：

• 灵活的传感器定位： 机器人系统的安全间隙不再影响扫描能力。
• 混合对象处理： 单个系统可以处理小型精密零件和大型组件。
• 缩短周期时间： 消除多传感器协调可减少扫描时间。
• 提高可靠性： 更少的系统组件意味着更少的潜在故障点。

性能背后的物理原理

让我们分解一下如何实现这一目标。 

信号强度

20dB 动态范围的改进代表了信号处理能力的显着增强。 

实际上，这意味着传感器区分有用信号和背景噪声的能力提高了大约 100 倍。

这一改进对现实世界有直接的影响：

• 距离能力： 可靠扫描范围从 4 米延伸至 6 米以上
• 信号稳健性： 在整个扩展范围内保持精度
• 材料的多功能性： 提高了在远距离挑战性表面上的性能

环境光抑制集成

扩展的动态范围与 Photoneo 的环境光抑制 (ALS) 3.0 技术协同工作。该组合能够：

• 室外扫描功能： 阳光直射条件不再妨碍可靠的 3D 数据采集
• 可变光照容差： 在整个运行期间，随着环境条件的变化，系统仍能保持性能
• 多环境灵活性： 单一配置在不同的照明场景下可靠工作

该技术实现采用巧妙的传感器操作技术和处理算法，将环境光影响消除几个数量级。

有效“关掉”环境灯光干扰。

在阳光直射下对盒子进行户外 3D 扫描 - PhoXi 3D 扫描仪 Gen3

行业应用和用例

物流仓储

• 拖车检查系统： 自动卡车装载操作需要在装载开始之前验证拖车是否为空。 PhoXi Gen3 能够扫描整个 17 米长的运输拖车，无需使用多个传感器或手动检查流程，从而显着提高运营效率。
• 高级码垛操作： 深度码垛系统可从扩展范围的功能中受益匪浅。安装在操作上方 5.2 米处的传感器可以引导协作机器人完成复杂的堆垛操作，同时保持稳定托盘构建所需的精度。
• 包裹处理： 大批量物流操作中的快速尺寸测量和缺陷检测系统需要能够灵活地在相同的扫描范围内处理尺寸截然不同的包裹。扩展的动态范围使单传感器解决方案能够用于混合规模的操作。
• 混合码垛： 混合码垛操作中的多视角扫描要求受益于同时使用红色和蓝色传感器的能力，将扫描时间减少 50%，同时保持完整覆盖。

对深度达 6 米的明亮和黑暗物体进行彩色 3D 扫描，点云 法线

汽车制造

• 深度箱拣选： 使用深垃圾箱的大型工业机器人需要将传感器放置在安全间隙距离处。即使传感器安装在工作区域上方，扩展范围功能也能保持精确和完整的视场覆盖。
• 大型部件的质量检验： Giga Press 和超铸造汽车零部件代表了新的制造挑战。这些大型单件铸件需要对毛刺、尺寸精度和表面质量进行全面检查。使用扩展范围传感器进行多视角扫描可实现完整的质量验证。
• 复杂零件本地化： 侧板检测和类似应用通常需要定位特定特征（安装孔），同时保持对完整组件几何形状的了解。扩展的范围和更高的完整性可以实现以前使用单个传感器不可能实现的全面理解。
• 装配验证： 大型汽车装配体需要验证系统能够捕获完整的几何关系，同时与活跃的生产设备保持安全距离。

新兴应用

• 太阳能电池板检查： 扩展的动态范围和环境光抑制相结合，实现了结构光系统以前无法实现的户外检测应用。
• 铁路行业应用： 火车车轮检查和受电弓监控系统受益于在捕获精确几何数据的同时保持安全距离的能力。

实施工作原理

轻松集成功能

PhoXi Gen3 通过用户友好的界面提供扩展范围功能：

一键校准体积扩展： “开放校准体积”功能允许用户通过单击按钮将扫描范围扩展到默认参数之外，可通过以下方式访问：

• PhoXi Control 图形用户界面
• API 集成
• GigE Vision 协议

灵活的配置选项： 多种分辨率选项确保前几代的现有用户可以升级，同时保持熟悉的操作参数。新安装可以充分利用扩展功能。

系统设计优势

安装灵活性： 扩展范围功能为传感器定位提供了极大的灵活性，从而能够：

• 围绕机器人系统进行安全间隙优化
• 降低传感器安装系统的机械复杂性
• 提高维护和服务的便利性

可扩展架构： 对于大多数应用，系统可以配置单传感器，对于最苛刻的场景，可以配置多传感器。红色和蓝色激光选项可实现真正的同步扫描，不会产生干扰。