ダイナミックレンジの 20dB ブーストが産業用 3D スキャンをどのように変革するか

通常、スキャンが遠くなるほど、画像はぼやけていきます。

産業用 3D スキャンは、正確にスキャンできるか、遠くまでスキャンできるかという壁にぶつかっていました。ただし、PhoXi 3D スキャナ Gen3 は、青色レーザー テクノロジーやダイナミック レンジの拡張などの数多くの改良により、この制限を突破します。

最新の改良のおかげで、トラックへの積み込み、深いパレタイジング、大規模な組み立てを自動化できるようになりました。 

しかし、そもそもダイナミックレンジとは何でしょうか? 

3D スキャンのダイナミック レンジとは

3D スキャンのダイナミック レンジは、センサーが効果的にキャプチャして処理できる最も強い光信号と最も弱い光信号の比率を表します。 

デシベル (dB) 単位で測定されるこの仕様は、特に長距離の困難なシーンから意味のある 3D データを抽出するスキャナの能力を直接決定します。

PhoXi 3D スキャナーのような構造化光 3D スキャン デバイスでは、レーザー プロジェクターがターゲット オブジェクト上にパターンを作成し、カメラが反射光を捕捉して 3D 座標を計算します。 

課題は物理学にあります。距離が増加すると、投影された光は広がり、逆二乗則に従って弱くなり、反射信号はますます弱くなります。

多様なマテリアルとテクスチャのオブジェクト、カラフルな点群 さまざまなマテリアルとテクスチャ、法線のオブジェクト

距離の問題

長距離 3D スキャンに対して作用する基本的な物理現象は次のとおりです。

• 信号の劣化: 光の強度は距離の二乗に応じて減少します。
• ノイズ干渉: 周囲の光源は、構造化された光のパターンと競合します。
• 露出の課題: 遠くにある物体には長時間露光が必要となり、モーションブラーのリスクが高まります。
• 信号対雑音比の低下: 弱い信号はバックグラウンド ノイズに埋もれてしまいます。

これにより、エンジニアが「露出オーバーと露出不足のジレンマ」と呼ぶものが生じます。つまり、遠くの物体を捉える設定では近くの表面が過飽和になることが多く、一方、近くの物体用に最適化された設定では遠くの特徴を検出できません。

PhoXi 3D スキャナ Gen3 がダイナミック レンジの向上を実現する方法

PhoXi 3D スキャナ Gen3 は、信号キャプチャと処理チェーンのあらゆる側面に対処するマルチコンポーネント エンジニアリング アプローチを通じて、ダイナミック レンジ拡張の向上を実現します。

マルチコンポーネント エンジニアリング アプローチ

１．青色レーザー投影技術

赤色レーザー投影から青色レーザー投影への移行により、物理ベースの複数の利点がもたらされます。

• 波長が短いことの利点: 青色のレーザー光は赤色に比べて波長が短いため、より微細なスペックル構造とスペクトル ノイズ パターンを通じてノイズが少なく、キャプチャされたデータの乱れが少なくなります。
• 強化された散乱: 波長が短いほど、さまざまな表面でより効果的に散乱し、さまざまな素材でのパターンの可読性が向上します
• 投影エネルギーの 50% ブースト: ブルーレーザー投影ユニットを備えた再設計された世代は、同じレーザー安全クラス内で 50% 多い光エネルギーを提供し、遠距離での信号強度を向上させます

青色レーザーの構造化された光パターン

２．高度な 5.1MP センサーテクノロジー

新しいセンサー アーキテクチャには、いくつかの重要な改善が組み込まれています。

• 感度の向上: 遠くの物体からの弱い反射に対する信号捕捉機能の向上
• 信号対雑音比の向上: 高度なピクセル設計により、ノイズ干渉が軽減されます
• 拡張ダイナミック レンジ機能: より広い強度範囲にわたる信号を処理するためのハードウェア レベルのサポート

３．ハイダイナミックレンジ処理

デバイスに直接組み込まれた高度なアルゴリズムにより、以下が提供されます。

• リアルタイム HDR 処理: 極端な信号変動に対応する高度なソフトウェアとセンサーレベルの処理
• 多重露出 HDR: 距離が混在する複雑なシーンのための 1 つの詳細な画像
• ノイズ抑制: 干渉を排除しながら弱い信号を維持する高度なフィルタリング技術

４．最適化された光学システム

光学コンポーネントの完全な再設計には以下が含まれます。

• 改良されたレンズ: 集光効率が向上し、広範囲にわたって焦点がより良くなります
• 高度な光学フィルター: 青色レーザー波長と周囲光抑制に合わせて最適化されたフィルタリング
• 光透過性の向上: 光路全体にわたる光損失の削減

現実世界のパフォーマンス:最大 6 メートル以上の距離

前世代の PhoXi 3D スキャナーは、最大 4 メートルを超える信頼性の高いスキャンで業界のベンチマークを確立しました。 

Gen3 はこの機能を 6 メートル以上に拡張し、スキャン ボリュームを開くと数十メートルに達する実験デモンストレーションを行っています。

スキャンボリュームを開く方法を知りたいですか? Tomas Michalik によるクイックガイドは次のとおりです:

実験結果

スキャン ボリュームをオープンにすることは、単なる理論上の概念ではありません。私たちはすでにこの手法を使用して実際のアプリケーションを実証しました。

• 17 メートルのトレーラーのスキャン: 自動トラック積載システムは、輸送用トレーラーの全長にわたって異物を検出することに成功
• 詳細なパレタイジング作業: 高さ 2.6 メートルのスタックの精度を維持しながら、高さ 5.2 メートルからシステムを動作
• 広い視野のアプリケーション: 複雑なマルチセンサー構成を置き換えるシングルセンサー ソリューション

16 メートルの距離からトラックを 3D スキャン

アプリケーションはダイナミック レンジの拡張からどのような恩恵を受けることができますか

1.簡素化されたシステム アーキテクチャ

従来のマルチセンサー アプローチ:

• 正確なキャリブレーションが必要な複数の 3D スキャナ
• 複雑なデータステッチアルゴリズム
• 障害ポイントとメンテナンス要件の増加
• 初期コストが高く、統合が複雑になる

PhoXi Gen3 シングルセンサー ソリューション:

• 1 台のデバイスですべてをカバー
• センサー間の調整の複雑さを排除
• ハードウェアのコストと設置時間の削減
• 簡素化されたメンテナンス手順

2.アプリケーションの柔軟性の向上

物流アプリケーション:

• 自動トラック積載検査: 17 メートル以上のトレーラー内部をスキャンできるため、積み込み作業前に完全な異物検出が可能になり、複数のセンサーや手動検査プロセスが不要になります。
• ディープパレタイジング システム: 作業場所の 5.2 メートル上に取り付けられたセンサーは、2.6 メートルのスタック上で複雑なパレタイジング タスクを実行する協働ロボットを正確にガイドできるため、完全に自動化された倉庫作業が可能になります。
• 大型コンテナの取り扱い: KLT（トート）マニピュレーション システムは、薄いエッジの広範囲スキャンの利点を活用し、大型産業用ロボットが精度を維持しながら複数のレイヤーを効率的に処理できるようにします。

透明素材を使用した食料品箱

自動車用途:

• 高所に設置されたビンのピッキング: センサーが安全なクリアランス距離を維持しながら、大型の産業用ロボットが深い容器で作業できるようになり、衝突のリスクが排除され、運用の安全性が向上します。
• サイドパネルの検出: 視野を完全にカバーすることで、取り付け穴の位置特定と同時検査機能が可能になり、以前は複数のビジョン システムが必要だった複雑な組み立てプロセスが簡素化されます。
• スタンピング後の部品の選択: センサーは、単一のスタンピング ラインからさまざまな部品形状を処理するために必要な視野を維持しながら、スタンピング作業から安全な距離に配置できます。
• 大型サブフレームの検査: ギガ プレスとハイパー キャストの自動車部品では、品質管理、バリ検出、寸法検証のために多視点スキャンが必要ですが、拡張範囲機能によってアプリケーションが可能になりました。

当社の 3D センサーが自動車業界でカバーするアプリケーションについて詳しくは、inVISION Days と協力して実施した 3D ビジョンと AI ロボティクスのウェビナーをご覧ください。

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3.運用上の利点

ダイナミック レンジの拡張により、操作性が大幅に向上します。

• 柔軟なセンサーの位置: ロボット システムからの安全許可により、スキャン機能が損なわれることがなくなりました。
• 混合オブジェクトの処理: 単一のシステムで小さな精密部品と大規模なアセンブリの両方を処理できます。
• サイクル時間の短縮: 複数のセンサーの調整が不要になることで、スキャン時間が短縮されます。
• 信頼性の向上: システム コンポーネントが少ないということは、潜在的な障害点が少ないことを意味します。

パフォーマンスの背後にある物理

これを実現する方法を詳しく見てみましょう。 

信号強度

20dB のダイナミック レンジの向上は、信号処理能力の劇的な強化を表しています。 

実際には、これは、有用な信号を背景ノイズから区別するセンサーの能力が約 100 倍向上したことになります。

この改善は現実世界に直接的な影響を及ぼします。

• 距離能力: 信頼性の高いスキャン範囲は 4 メートルから 6 メートル以上
• 信号の堅牢性: 拡張範囲全体にわたって精度を維持
• 素材の多様性: 遠くの困難な路面でのパフォーマンスの向上

周囲光抑制の統合

拡張されたダイナミック レンジは、Photoneo の Ambient Light Suppression (ALS) 3.0 テクノロジーと相乗的に機能します。この組み合わせにより、次のことが可能になります。

• 屋外スキャン機能: 直射日光の状況によっても、信頼性の高い 3D データのキャプチャが妨げられることがなくなりました
• 可変照明の許容範囲: 運用期間を通じて周囲条件が変化しても、システムはパフォーマンスを維持する
• 複数環境の柔軟性: 単一の構成で、さまざまな照明シナリオにわたって確実に機能する

技術的な実装では、賢明なセンサー操作技術と処理アルゴリズムを使用して、周囲光の影響を数桁排除します。

環境光の干渉を効果的に「オフ」にします。

直射日光の下で実行される屋外の箱の 3D スキャン - PhoXi 3D スキャナ Gen3

業界のアプリケーションとユースケース

物流と倉庫

• トレーラー検査システム: 自動トラック積み込み作業では、積み込みを開始する前にトレーラーが空であることを確認する必要があります。 PhoXi Gen3 は全長 17 メートルの輸送用トレーラーをスキャンできるため、複数のセンサーや手動検査プロセスが不要となり、業務効率が大幅に向上します。
• 高度なパレタイジング操作: ディープパレタイジングシステムは、拡張範囲機能から大幅な恩恵を受けます。作業現場の 5.2 メートル上に取り付けられたセンサーは、安定したパレット構築に必要な精度を維持しながら、複雑な積み重ね作業を通じて協働ロボットをガイドできます。
• 荷物の処理: 大量の物流業務における迅速な寸法設定および欠陥検出システムには、同じスキャン ボリューム内で大幅に異なるサイズのパッケージを処理できる柔軟性が必要です。ダイナミック レンジの拡張により、単一センサー ソリューションでさまざまなサイズの運用が可能になります。
• 混合パレタイジング: 混合パレタイジング作業における多視点スキャン要件では、赤と青のセンサーを同時に使用できる機能の恩恵を受け、完全な範囲を維持しながらスキャン時間を 50% 短縮できます。

深さ 6 メートルまでの明るいオブジェクトと暗いオブジェクトのカラフルな 3D スキャン、点群 ノーマル

自動車製造

• ディープビンピッキング: 深いビンを扱う大型産業用ロボットには、安全なクリアランス距離にセンサーを配置する必要があります。拡張範囲機能により、センサーが作業エリアのかなり上に取り付けられている場合でも、精度と完全な視野範囲が維持されます。
• 大型コンポーネントの品質検査: ギガプレスとハイパーキャスト自動車部品は、新たな種類の製造上の課題を表しています。これらの大型の一体鋳造品には、バリ、寸法精度、表面品質などの包括的な検査が必要です。拡張範囲センサーを使用した多視点スキャンにより、完全な品質検証が可能になります。
• 複雑なパーツのローカリゼーション: サイド パネルの検出や同様のアプリケーションでは、コンポーネント全体の形状を認識しながら、特定の機能 (取り付け穴) の位置を特定する必要があることがよくあります。範囲の拡大と完全性の向上により、これまで単一のセンサーでは不可能だった包括的な理解が可能になります。
• アセンブリの検証: 大規模な自動車アセンブリには、稼働中の生産設備から安全な距離を維持しながら、完全な幾何学的関係を取得できる検証システムが必要です。

新しいアプリケーション

• ソーラー パネルの検査: 拡張されたダイナミック レンジと周囲光抑制の組み合わせにより、これまで構造化照明システムでは不可能だった屋外検査用途が可能になります。
• 鉄道業界のアプリケーション: 列車の車輪検査システムとパンタグラフ監視システムは、正確な幾何学的データを取得しながら安全な距離を維持できるという利点を活用します。

実装の仕組み

簡単な統合機能

PhoXi Gen3 により、ユーザーフレンドリーなインターフェースを通じて拡張範囲機能にアクセスできるようになります。

ワンクリック キャリブレーション ボリューム拡張: 「オープン キャリブレーション ボリューム」機能を使用すると、ユーザーはボタンを 1 回クリックするだけでデフォルト パラメータを超えてスキャン範囲を拡張できます。

• PhoXi Control グラフィカル ユーザー インターフェイス
• API の統合
• GigE Vision プロトコル

柔軟な構成オプション: 複数の解像度オプションにより、前世代の既存ユーザーは使い慣れた操作パラメータを維持しながらアップグレードできます。新規インストールでは、拡張機能を最大限に活用できます。

システム設計の利点

取り付けの柔軟性: 拡張範囲機能により、センサーの位置決めに大幅な柔軟性がもたらされ、次のことが可能になります。

• ロボット システム周りの安全なクリアランスの最適化
• センサー取り付けシステムの機械的な複雑さを軽減
• メンテナンスとサービスのためのアクセシビリティの向上

スケーラブルなアーキテクチャ: システムは、ほとんどのアプリケーションに対して単一センサーで構成でき、最も要求の厳しいシナリオにはマルチセンサー構成も利用できます。赤と青のレーザー オプションにより、干渉することなく真に同時スキャンが可能になります。