Parallel Structured Light技術で切り拓く3Dビジョンの未来

長年にわたり、3Dビジョンの主たる課題は、現実世界をそのまま──動きの中で──撮像できるロボットの「目」を開発することでした。

従来の3Dセンシング技術はこの課題に苦戦し、高速移動物体をスキャンしつつ、高解像度・高精度という顧客要求を満たす3D画像データを提供できるものはありませんでした。

このジレンマを解決したのが、画期的なParallel Structured Light技術です。ついに、3Dビジョンの未来に到達しました。

センサービジネスユニット プロダクトディレクター、マルセル・スベック氏によるParallel Structured Light解説。

前回のブログ記事「マシンビジョンの革命」では、動的3Dスキャンの概念について議論しました。なぜ標準技術で課題となるか、Parallel Structured Lightがどう克服するか、技術の仕組みと他アプローチとの比較で深掘りしました。

本記事では、より実践的なスタンスを取ります。

ご存知の通り、Parallel Structured Light技術は3Dカメラ「MotionCam-3D」に実装されています。今日はデバイス視点から技術を見ます：MotionCam-3Dの主要パーツとボディ特性、用途別モデル、スキャン能力と適用先、他技術では得られないユニーク機能を順に見ていきます。

そのために、最も人気のある3Dセンシング技術の3D画像出力をParallel Structured Lightと比較し、客観的なパフォーマンス理解を得ます。

MotionCam-3Dとは？

MotionCam-3Dの非常に基本的な説明から始めましょう：

MotionCam-3Dは産業用エリアスキャン3Dカメラ──すなわちロボットの「目」──で、産業・物流・その他プロセスの自動化のために多様なアプリケーションで使用できます。ロボットに「見る」能力を与えることで、カメラは彼らが3D空間で物体を操作したり、製造中に品質評価したりすることを可能にします。

MotionCam-3Dの基本事実

MotionCam-3Dは3つの主要パーツで構成されます：

1. シーンに光を照射するプロジェクター
2. シーンを撮像するカメラユニット
3. 3Dデータを計算し、イーサネット経由でPCへ送信する処理ユニット

デバイスはイーサネット経由で給電（PoE）も、あるいは24V電源コネクタ経由でも可能です。

これらすべてのコンポーネントは、洗練され堅牢耐久なカーボンボディに組み込まれ、重量は1.5kg未満です。これはハンドアイアプリケーションで特別に有利です。

MotionCam-3Dは、異なるスキャンレンジを持つ3サイズで提供されます：

1. モデルS = 最小モデル、スキャンレンジ最大60cm。拡張版S+は最大150cm。
2. モデルM = 中型モデル、スキャンレンジ最大100cm。拡張版M+は最大150cmで精度向上。
3. モデルL = 最大モデル、スキャンレンジ最大300cm。

拡張スキャンレンジの+モデルは、特にハンドアイアプリケーションに適しています。

全5モデルで同一の最大200万3Dポイントの解像度を提供し、ポイントクラウド密度はスキャン距離に依存します。例えば、スキャン距離1メートルでは、密度は1mm²あたり4ポイントになります。

MotionCam-3Dはどこで使えるか？

MotionCam-3Dの堅牢なスキャン性能により、以下を含む多様な材質の幅広い物体をスキャンできます：

• 黒色ゴム
• アルミニウム
• 小型・薄型・光沢のある金属部品
• プラスチック物体
• 段ボール
• 半透明またはバックライト照明物体

多様な材質スキャン能力、高解像度・高精度、要求の厳しい産業現場・挑戦的条件下での高い堅牢性により、MotionCam-3Dは以下のような幅広い応用でオートメーションに貢献する完璧な3Dビジョンデバイスです：

• ビンピッキング
• パレタイズ・デパレタイズ
• 包装
• 仕分け
• 箱寸法測定
• 品質検査
• その他多数

では、MotionCam-3Dを他の3Dセンシング技術から際立たせるものは何か？

Parallel Structured Light vs 構造化光

目的が3Dデータの高品質なら、構造化光センサーは良い選択肢になります。高精度で堅牢なデータを提供し、様々な条件下であらゆる材質・表面をスキャンできます。

しかし、一つ深刻な制約があります：シーンが完全に静止している場合にしか使えないのです。理由は：

構造化光システムは光パターンのシーケンスをシーンに投影します。物体が動けば、投影パターンが破綻します。結果、ハイノイズ、飛翔アーティファクト、不完全なポイントクラウドを含む読み取れないパターンになります。

動的シーンをスキャンするなら、他のより適した技術があります。それらを見てみましょう。

Parallel Structured Light vs アクティブステレオ / ToF

動く物体のスキャンで最も人気のある3Dセンシング技術は、Time-of-Flight（ToF：飛行時間法）またはアクティブステレオシステムです。

これらの主な利点は高速スキャンです。残念ながらこれは品質の犠牲の上に成り立ちます。これらシステムの解像度は通常VGA（Video Graphics Array＝モニター上のグラフィック表示解像度標準）で、精度はせいぜい数ミリメートルです。もう一つの弱点は、スキャン物体エッジの美しいディテールを表示できず、3D画像がかなりハイノイズになることです。

以上をまとめると：

一方に、高速だが低品質なアクティブステレオ/ToFシステムがあります。

他方に、高品質だが動く・振動する物体には使えない構造化光システムがあります。

しかし、高速かつ高品質で、高速移動物体を高解像度・高精度でスキャンしたい。これは無数のアプリケーションで必須です。どうすれば満足できる結果を得られるか？

幸い、Parallel Structured Light技術が両方の長所を統合します──アクティブステレオ/ToFの速度と構造化光センサーの品質を。

以下のシーンをご覧ください。MotionCam-3Dで撮像されています。

シーンは動いていますが、3D画像は完全にクリアです。以下が確認できます：

• 900,000 3Dポイントの高解像度ポイントクラウド
• サブミリ精度
• 低ノイズ
• スキャン物体の詳細な輪郭
• 高い堅牢性
• 多様な材質でのスキャン完全性

MotionCam-3Dにはスタティックモードもあり、精度と解像度を2Mpxに倍増させます。これにより、あらゆる種類のアプリケーションに対応する真に汎用的なデバイスになります。

マシンビジョンを変革するパラダイムシフト

Parallel Structured Light技術は、プロジェクトで「速度か品質か、どちらを優先すべきか」というジレンマをついに解決します。

これはマシンビジョン業界における真のパラダイムシフトを表します。既存アプリケーションをより速く、より信頼性高くできるだけでなく、以前は不可能だった多くの新しいアプリケーションへの扉を開きます。

MotionCam-3Dの主なメリットには：

• 同期不要でダイナミックシステムに導入可能
• 非線形・ランダムな動きがあるアプリケーションに導入可能
• ビンピッキングなど従来の3Dアプリケーションを高速化
• 振動シーンのスキャンに使用可能
• ハンドアイロボティクスに有利：ロボットがスキャンのために停止する必要なし
• 1回きりのスキャンしかできない技術とは異なり、高品質3Dデータの連続ストリームを提供
• 高速スキャンにより、照明とオンサイトキャリブレーション不要で複雑な2Dアプリケーションを置換可能
• その他多数──これはMotionCam-3Dが提供する可能性の小さな一片に過ぎません。

それらを共に探求しましょう。動きの中の世界を見る時が来ました。