3D ビジョン システム – あなたにぴったりのシステムは?

確認する基本パラメータ

マシン ビジョンは、産業オートメーションの原動力の 1 つです。長い間、主に 2D 画像センシングの改善によって推進されてきましたが、一部のアプリケーションでは、2D 方式が依然として最適な選択です。

しかし、マシン ビジョンが現在直面している課題の大半は、3D の特徴を持っています。そのため、この記事では、3D ビジョン システムを強化して 3D サーフェスのキャプチャを可能にする方法について説明します。 .

市場は幅広い 3D センサー ソリューションを提供していますが、それらの違いと特定のアプリケーションへの適合性を理解する必要があります。 すべてのニーズを満たす最適なソリューションを開発することは最終的に不可能であることを認識することが重要です。 .

この記事では、特定の用途向けのソリューションを選択する際に考慮すべき 3D ビジョン システムの最も重要なパラメータと、一部のパラメータがかなり高い場合のトレードオフについて説明します。 .各パラメーターは、個々のテクノロジーとそれらが提供する可能性をよりよく比較するために、5 つのレベルに分けられています。

次の記事は 3D センシング技術を詳細に見て、スキャン パラメータに関する利点と制限について説明します。

3D ビジョン システムを強化するテクノロジーは、次のカテゴリに分類できます。

A.飛行時間

• エリアスキャン
• LiDAR

B.三角測量に基づく方法

• レーザー三角測量 (またはプロフィロメトリー)
• 写真測量
• ステレオ ビジョン (パッシブおよびアクティブ)
• ストラクチャード ライト (1 フレーム、複数フレーム)
• 新しい「パラレル ストラクチャード ライト」テクノロジー

パラメータ

スキャン ボリューム

計測アプリケーションで使用されるシステムの典型的な動作容積は約 100 mm x 100 mm x 20 mm ですが、ビンピッキングソリューションの標準要件は約 100 mm です。 1m ³ .これはパラメータの単純な変更のように見えるかもしれませんが、さまざまな技術がさまざまな運用量で優れている場合があります .

XY 方向の範囲の拡大は、システムの FOV (視野) に関連しており、より広いレンズを使用することで拡大できますが、Z 方向の拡大は、オブジェクトの焦点を維持するという問題をもたらします。これは被写界深度と呼ばれます . 被写界深度が深いほど カメラの絞りが小さいほど （またはプロジェクター）でなければなりません。 これにより、センサーに到達する光子の数が大幅に制限されるため、より高い深度範囲での一部のテクノロジーの使用が制限されます。

被写界深度の範囲に基づいて 5 つのカテゴリを定義できます ：

1. 非常に小さい:最大 50 mm

2. 小型:500 mm まで

3. 中:1500 mm まで

4. 大:最大 4 m

5. 非常に大きい:最大 100 m

カメラの深度範囲は絞りを小さくすることで拡張できますが、取り込める光の量は制限されます (アクティブ システムの光源と周囲照明の両方から)。より複雑な問題は、アクティブな投影システムの深度範囲を拡張することです。この場合、アパーチャを縮小すると信号のみが制限され、周囲の照明は制限されません。ここでは、レーザーベースの投影システム (Photoneo の 3D センサーのものなど) 優れているのは、ロボット アプリケーション向けの大量かつ実用的なボリュームを実現できるからです。

データ取得と処理時間

3D スキャンで最も価値のあるリソースの 1 つは光です。適切な光源からできるだけ多くの光子をピクセルに取り込むことは、測定の信号対雑音比を良好にするために不可欠です .これは、取得時間が限られているアプリケーションにとっては困難な場合があります。

時間に影響を与えるもう 1 つの重要な要素は、オブジェクトをキャプチャするテクノロジーの能力です。 動いている 停止せずに（ベルトコンベア上の物体、移動ロボットに取り付けられたセンサーなど）。動的なシーンを検討する場合、「ワンショット アプローチ」のみが適用されます (データ取得時間パラメーターで 5 のスコアでマークされています)。これは、他のアプローチでは 3D サーフェスをキャプチャするために複数のフレームが必要なためです。そのため、スキャン対象が動いたりセンサーが動いたりすると、出力が歪んでしまいます。

サイクル タイムに関連するもう 1 つの側面は、アプリケーションが反応的で、即時の結果を必要とするかどうかです。 (例:スマート ロボティクス、並べ替えなど) または後で結果を配信するだけで十分です (例:オフライン計測、工場フロア プランの再構築、犯罪現場のデジタル化など)。

一般に、取得時間が長いほど品質が高くなり、その逆も同様です。お客様が短時間で高品質を求める場合は、「パラレル ストラクチャード ライト」方式が最適なソリューションです。

データ取得時間:

1. 非常に高い:分以上

2. 高:~5 秒

3. 中:~2 秒

4. 短い:~500 ミリ秒

5. 非常に短い:~50 ミリ秒

データ処理時間:

1. 非常に高い:時間以上

2. 高:~5 秒

3. 中:~2 秒

4. 短い:~500 ミリ秒

5. 非常に短い:~50 ミリ秒

解決

解像度とは、詳細を認識するシステムの能力です。 .大きな操作ボリューム内に小さな 3D フィーチャがあるアプリケーションでは、高解像度が必要です。

すべてのカメラベースのシステムで解像度を向上させる上での最大の課題は、個々のピクセルに到達する光の量が減少することです。 ベルトコンベア上でリンゴを選別するアプリケーションを想像してみてください。最初は、リンゴのサイズのみが並べ替えパラメーターです。ただし、顧客は茎の存在を確認する必要がある場合もあります。データ分析は、必要なデータを取得するには、オブジェクトのサンプリング解像度を 2 倍に拡張する必要があることを示しています。

オブジェクトのサンプリング解像度を 2 倍にするには、イメージ センサーの解像度を 4 倍にする必要があります。これにより、光の量が 4 分の 1 に制限されます (同じ光の流れが 4 つのピクセルに分割されます)。ただし、難しいのは、元のシステムの被写界深度を確保する必要があることです。そのためには、開口部を小さくする必要があります。これにより、光がさらに 4 分の 1 に制限されます。つまり、同じ品質でオブジェクトをキャプチャするには、オブジェクトを 16 倍長い時間露光するか、16 倍強い光源を使用する必要があります。これにより、リアルタイム システムの最大解像度が大幅に制限されます。

経験則として、スキャンされたオブジェクトを高速にキャプチャできるようにするには、最低限必要な解像度を使用してください。また、処理時間が短縮されるため、時間の節約にもなります。別の方法として、一部のデバイス (Photoneo の PhoXi 3D スキャナーなど) には、中解像度と高解像度を切り替える機能があります。 アプリケーションのニーズに合わせてください。

測定ごとの 3D ポイントの平均に基づく 5 つのカテゴリ 、または XY 解像度 ：

1. 非常に小さい:~100k ポイント

2. 小:~300k ポイント (VGA)

3. ミディアム:~1M ポイント

4. 高:~4M ポイント

5. 拡張:~100M ポイント

精度と精度

精度は、深度情報を取得するシステムの能力です。 一部の技術は正確な測定を行うために拡張可能ですが (ほとんどの三角測量システムなど)、物理的な制限のためにそうでないものもあります (タイム オブ フライト システムなど)。

これを深度解像度と呼びます ：

1. 非常に小さい:>10 cm

2. 小:~2 cm

3. ミディアム:~2 mm

4. 高:~250um

5. 非常に高い:~50 um

堅牢性

堅牢性とは、さまざまな照明条件で高品質のデータを提供するシステムの能力を指します。たとえば、一部のシステムは外部光に依存しています (太陽光や屋内照明など) または制限された周囲光レベル (システム動作の一部ではない光) 内でのみ動作することができます。 環境光 内部センサーによって報告される強度値が増加し、測定ノイズが増加します .

多くのアプローチは、数学を使用してより高いレベルの抵抗を達成しようとしますが (黒レベル減算など)、これらの手法はかなり制限されています。問題は、「ショット ノイズ」または「量子ノイズ」と呼ばれる特定のノイズにあります。 .つまり、平均して 1 万個のフォトンがピクセルに到達した場合、その数の平方根である 100 が不確実性の標準偏差になります。 .

問題は周囲の照明レベルにあります。 周囲の照明に起因する「ショット ノイズ」がシステムのアクティブな照明からの信号レベルを超えると、見かけ上のデータ品質が低下します .言い換えれば、周囲の照明には不要なノイズが含まれており、最終的には有用な信号をオーバーランさせ、最終的な 3D データの品質を乱す可能性があります。

外部条件を定義しましょう デバイスが動作できる場所:

1. 屋内、暗い部屋

2. 屋内、シールド操作ボリューム

3. 屋内、強いハロゲン ライト、乳白色のガラス窓

4. 屋外、直射日光

5. 屋外、直射日光

さまざまな素材のスキャンの堅牢性について話すとき 、決定的な要因は、相互反射を処理する能力です:

1. 拡散した質感の良い素材 (岩など)

2.拡散素材（白壁）

3. 半光沢素材 (陽極酸化アルミニウム)

4. 光沢のある素材 (研磨されたスチール)

5. 鏡のような表面 (クロム)

デザインと接続性

3D ビジョン システムの物理的な堅牢性に影響を与え、困難な産業環境でも高性能を確保する要因はいくつかあります。これらには、温度校正、PoE (Power over Ethernet) や 24 V などの電源オプション、適切な IP 定格が含まれます。これにより、産業用グレードの 3D スキャナーは最低でも IP65 を目指す必要があります。

別の要因は、デバイスの重量とサイズであり、一部のアプリケーションでの使用が制限されます。軽量でコンパクトでありながら強力なソリューションにより、顧客は基本的にどこにでも取り付けることができます。これが、PhoXi 3D スキャナーがカーボン ファイバー ボディを備えている理由です。 .熱安定性に加えて、より長いベースライン システムでも軽量です。

1. 非常に重い:>20 kg

2. 重い:~ 10kg

3. ミディアム:~ 3kg

4. ライト:~ 1 kg

5. 非常に軽い:~ 300 g

価格/性能比

3D ビジョン システムの価格は、もう 1 つの重要なパラメーターです。アプリケーションは顧客に価値をもたらす必要があります。重大な問題 (おそらく大きな予算の問題) を解決するか、プロセスをより経済的にする (予算に敏感な) ことができます。

価格面には、特定のテクノロジーに関連するものもあれば、生産量または提供されるサービスとサポートによって定義されるものもあります。 近年、消費者市場は大量生産を利用して安価な 3D センシング技術をもたらしています .一方、このようなテクノロジーには、カスタマイズやアップグレードの可能性の欠如、堅牢性、製品ラインの入手可能性、限定的なサポートなどの欠点があります .

価格 に基づく 3D ビジョン テクノロジー :

1. 非常に高い:~100k EUR

2. 高:~25,000 ユーロ

3. ミディアム:~10,000 ユーロ

4. 低:~1000 ユーロ

5. 非常に低い:~200 ユーロ

これで、3D ビジョン システムの基本的なパラメーターと、特定のアプリケーションやさまざまな目的でのそれぞれの役割が理解できました。

次の記事では、個々の 3D センシング技術がこれらのパラメーターに関してどのように機能するか、それらの基本的な違いは何か、それらの制限と利点は何かを説明します。