産業自動化ニーズに最適な3Dビジョンシステムの選び方

注目すべき基本パラメータ

マシンビジョンは産業自動化の原動力の一つです。長らく2Dイメージセンシングの改善によって主に推進されてきましたが、一部のアプリケーションでは2D手法が最適な選択肢であり続けています。

しかし、今日マシンビジョンが直面する大半の課題は3Dの性質を持っています。したがって、この記事では3D表面の取得を可能にする3Dビジョンシステムを支える手法に焦点を当てます。

市場には幅広い3Dセンサーソリューションが提供されていますが、それらの違いと特定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、究極的には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、特定のアプリケーション向けに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高い場合のトレードオフに焦点を当てます。各パラメータは5段階で分類し、個々の技術とそれらが提供する可能性をより良く比較できるようにしています。

次の記事では、3Dセンシング技術を詳細に見て、それらの利点と制限についてスキャンパラメータの観点から議論します。

3Dビジョンシステムを支える技術は以下のカテゴリに分けられます：

A. 飛行時間（Time-of-Flight）

• エリアスキャン
• LiDAR

B. 三角測量ベースの手法

• レーザー三角測量（またはプロフィロメトリ）
• 写真測量
• ステレオビジョン（パッシブとアクティブ）
• 構造化光（ワンフレーム、マルチフレーム）
• 新しい「パラレル構造化光」技術

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ボリュームは約100mm×100mm×20mmですが、ビンピッキングソリューションの標準要件は約1m³です。これはパラメータの単純な変更のように見えますが、異なる技術が異なる動作ボリュームで優れる可能性があります。

XY方向のレンジ拡大はシステムのFOV（視野）に関連し、より広いレンズを使用して拡張できますが、Z方向の拡大は物体を焦点内に保つ問題をもたらします。これは被写界深度と呼ばれます。必要な被写界深度が深いほど、カメラ（またはプロジェクタ）の絞りを小さくする必要があります。これはセンサーに到達する光子数を強く制限し、一部の技術のより高い深度範囲での使用を制限します。

深度範囲に基づいて5つのカテゴリを定義できます：

1. 非常に小さい：50mmまで

2. 小さい：500mmまで

3. 中程度：1500mmまで

4. 大きい：4mまで

5. 非常に大きい：100mまで

カメラの深度範囲は絞りを絞ることで拡張できますが、到達光量（アクティブシステムの光源からの光と環境光の両方）が制限されます。より複雑な問題は、アクティブ投影システムの深度範囲を拡張することです。絞りを絞ると信号のみが制限され、環境光は制限されません。ここで、レーザーベースの投影システム（Photoneoの3Dセンサーなど）がロボットアプリケーションに適した大規模で実用的なボリュームを達成できる点で優れています。

データ取得・処理時間

3Dスキャンにおいて最も貴重なリソースの一つは光です。正しい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、測定の良好な信号対雑音比に不可欠です。これは取得時間が限られたアプリケーションでは課題となります。

時間に影響するもう一つの重要な要因は、技術が物体を動いている状態で停止せずに取得できるかどうかです（コンベアベルト上の物体、移動ロボットに取り付けられたセンサーなど）。動的シーンを考慮する場合、「ワンショットアプローチ」のみが適用可能です（データ取得時間パラメータでスコア5）。他のアプローチは3D表面を取得するために複数フレームを必要とするため、スキャン対象物体が動いたりセンサーが動いたりすると出力が歪むからです。

サイクルタイムに関連するもう一つの側面は、アプリケーションが反応型で即時結果を必要とするか（スマートロボティクス、仕分けなど）、後で結果を提供すれば十分か（オフライン計測、工場フロアプラン再構築、犯罪現場のデジタル化など）です。

一般的に、取得時間が長いほど品質は高く、逆もまた然り。短時間と高品質の両方を顧客が要求する場合、「パラレル構造化光」手法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：数分以上

2. 高い：約5秒

3. 中程度：約2秒

4. 短い：約500ミリ秒

5. 非常に短い：約50ミリ秒

データ処理時間：

1. 非常に高い：数時間以上

2. 高い：約5秒

3. 中程度：約2秒

4. 短い：約500ミリ秒

5. 非常に短い：約50ミリ秒

解像度

解像度はシステムのディテール認識能力です。大規模な動作ボリューム内に小さな3D特徴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システムで解像度を上げる最大の課題は、個々のピクセルに到達する光量が減少することです。コンベアベルトでのリンゴ選別アプリケーションを想像してください。最初はリンゴのサイズのみが選別パラメータです。しかし、顧客はヘタの有無もチェックしたいかもしれません。データ分析では、必要なデータを得るために物体サンプリング解像度を2倍に拡張する必要があることがわかります。

物体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倍に増やす必要があります。これにより光量が4倍に制限されます（同じ光ストリームが4ピクセルに分割されるため）。しかし、厄介な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。そのためには絞りを絞らなければならず、さらに4倍光量が制限されます。つまり、同じ品質で物体を撮影するには、16倍長い露光時間か、16倍強い光源が必要になります。これはリアルタイムシステムの最大解像度を強く制限します。

経験則として、スキャン対象物体を高速で取得するために必要最小限の解像度を使用してください。処理時間短縮により時間も節約できます。代替案として、一部のデバイス（PhotoneoのPhoXi 3D Scannerなど）は、中解像度と高解像度を切り替えてアプリケーションのニーズに合わせられます。

測定あたりの平均3Dポイント数、またはXY解像度に基づく5カテゴリ：

1. 非常に小さい：約10万ポイント

2. 小さい：約30万ポイント（VGA）

3. 中程度：約100万ポイント

4. 高い：約400万ポイント

5. 拡張：約1億ポイント

精度と再現性

精度はシステムの深度情報取得能力です。一部の技術は精密測定のためにスケーラブル（ほとんどの三角測量システムなど）ですが、物理的制限によりそうでないものもあります（ToF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：10cm超

2. 小さい：約2cm

3. 中程度：約2mm

4. 高い：約250μm

5. 非常に高い：約50μm

堅牢性

堅牢性とは、さまざまな照明条件下で高品質なデータを提供するシステムの能力を指します。例えば、一部のシステムは外部光（太陽光や室内照明など）に依存するか、限られた環境光レベル（システム動作の一部ではない光）でのみ動作可能です。環境光は内部センサーの報告強度値を増加させ、測定ノイズを増加させます。

多くのアプローチが数学（ブラックレベル減算など）で耐性向上を図りますが、これらの技術は限定的です。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。平均1万光子がピクセルに到達する場合、その平方根である100が不確実性の標準偏差となります。

問題は環境照明のレベルにあります。環境照明による「ショットノイズ」がシステムのアクティブ照明からの信号レベルを超えると、見かけのデータ品質が低下します。つまり、環境照明は不要なノイズをもたらし、最終的に有用な信号を上回って最終的な3Dデータ品質を乱す可能性があります。

デバイスが動作可能な外部条件を定義しましょう：

1. 屋内、暗室

2. 屋内、遮蔽された動作ボリューム

3. 屋内、強いハロゲンライトと乳白ガラス窓

4. 屋外、間接日光

5. 屋外、直射日光

異なる材質のスキャン堅牢性について言えば、決定的な要因は相互反射への対応能力です：

1. 拡散性、テクスチャ豊富な材質（岩など）

2. 拡散性材質（白壁）

3. 半光沢材質（アルマイトアルミニウム）

4. 光沢材質（研磨鋼）

5. 鏡面（クロム）

設計と接続性

3Dビジョンシステムの物理的堅牢性に影響し、厳しい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。熱キャリブレーション、PoE（Power over Ethernet）および24Vなどの給電オプション、適切なIP等級などです。産業グレードの3Dスキャナは最低IP65を目指すべきです。

その他の要因はデバイスの重量とサイズで、これらは一部のアプリケーションでの使用を制限します。軽量かつコンパクトで強力なソリューションなら、基本的にどこにでも取り付け可能です。これがPhoXi 3D Scannerがカーボンファイバー製ボディを採用する理由です。熱安定性に加え、長いベースラインシステムでも軽量を実現します。

1. 非常に重い：20kg超

2. 重い：約10kg

3. 中程度：約3kg

4. 軽い：約1kg

5. 非常に軽い：約300g

価格/性能比

3Dビジョンシステムの価格も重要なパラメータです。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。重大な問題を解決する（大規模予算の可能性）か、プロセスをより経済的にする（予算重視）かのどちらかです。

価格の一部は特定技術に関連し、他は生産量や提供されるサービス・サポートによって決まります。近年、コンシューマー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ました。一方、このような技術には、カスタマイズとアップグレードの不可、堅牢性、製品ラインの可用性、限定的なサポートなどの欠点があります。

3Dビジョン技術の価格：

1. 非常に高い：約10万ユーロ

2. 高い：約2.5万ユーロ

3. 中程度：約1万ユーロ

4. 低い：約1000ユーロ

5. 非常に低い：約200ユーロ

これで3Dビジョンシステムの基本パラメータと、それぞれが特定のアプリケーションや目的で果たす役割がわかりました。

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に関してどのように性能を発揮するか、基本的な違い、制限と利点について説明します。