3D 비전 시스템 – 귀하에게 적합한 것은 무엇입니까?

살펴볼 기본 매개변수

머신 비전은 산업 자동화의 원동력 중 하나입니다. 오랫동안 2D 이미지 센싱의 개선으로 인해 주로 추진되었으며 일부 응용 프로그램의 경우 2D 방법이 여전히 최적의 선택입니다.

그러나 오늘날 머신 비전이 직면한 대부분의 문제는 3D 캐릭터를 가지고 있습니다. 따라서 이 기사에서는 3D 비전 시스템을 강화하여 3D 표면을 캡처할 수 있는 방법을 살펴봅니다. .

시장은 광범위한 3D 센서 솔루션을 제공하지만 이들 간의 차이점과 특정 응용 분야에 대한 적합성을 이해해야 합니다. 모든 요구를 충족하는 최적의 솔루션을 개발하는 것은 궁극적으로 불가능하다는 사실을 인식하는 것이 중요합니다. .

이 기사는 특정 애플리케이션을 위한 솔루션을 선택할 때 고려해야 하는 3D 비전 시스템의 가장 중요한 매개변수와 다소 높은 일부 매개변수의 절충점에 초점을 맞춥니다. . 각 매개변수는 개별 기술과 기술이 제공하는 가능성을 더 잘 비교할 수 있도록 5단계로 나뉩니다.

다음 기사는 3D 감지 기술을 자세히 살펴보고 스캐닝 매개변수와 관련된 장점과 한계에 대해 논의합니다.

3D 비전 시스템을 구동하는 기술은 다음 범주로 나눌 수 있습니다.

A. 비행 시간

• 영역 스캔
• 라이다

나. 삼각 측량 기반 방법

• 레이저 삼각측량(또는 프로필로메트리)
• 사진 측량
• 스테레오 비전(수동 및 능동)
• 구조화된 조명(한 프레임, 여러 프레임)
• 새로운 "병렬 구조 조명" 기술

매개변수

스캔 볼륨

계측 응용 분야에 사용되는 시스템의 일반적인 작동 부피는 약 100mm x 100mm x 20mm인 반면 빈 피킹 솔루션의 표준 요구 사항은 약 100mm입니다. 1m ³ . 이것은 매개변수의 단순한 변경처럼 보일 수 있지만 다른 기술은 다른 작동 볼륨에서 우수할 수 있습니다. .

XY 방향으로 범위를 늘리는 것은 시스템의 FOV(시야)와 더 관련이 있고 더 넓은 렌즈를 사용하여 확장할 수 있지만 Z 방향으로 범위를 늘리면 물체의 초점을 유지하는 문제가 발생합니다. 이를 피사계 심도라고 합니다. . 피사계 심도가 깊을수록 카메라의 조리개가 작을수록 (또는 프로젝터)가 있어야 합니다. 이는 센서에 도달하는 광자의 수를 강력하게 제한하므로 더 높은 깊이 범위에 대한 일부 기술의 사용을 제한합니다.

피사계 심도 범위를 기준으로 5가지 카테고리를 정의할 수 있습니다. :

1. 매우 작음:최대 50mm

2. 소형:최대 500mm

3. 중간:최대 1500mm

4. 대형:최대 4m

5. 초대형:최대 100m

조리개를 줄여 카메라의 깊이 범위를 확장할 수 있지만 캡처되는 빛의 양은 제한됩니다. (활성 시스템의 광원과 주변 조명 모두). 더 복잡한 문제는 활성 프로젝션 시스템의 깊이 범위를 확장하는 것입니다. 여기서 조리개를 줄이면 신호만 제한되고 주변 조명은 제한되지 않습니다. 여기서 레이저 기반 프로젝션 시스템 (예:Photoneo의 3D 센서 센서)로봇 애플리케이션을 위한 대량의 실용적인 볼륨을 달성할 수 있기 때문에 탁월합니다.

데이터 수집 및 처리 시간

3D 스캐닝에서 가장 귀중한 자원 중 하나는 빛입니다. 올바른 광원에서 픽셀로 많은 광자를 얻는 것은 측정의 우수한 신호 대 잡음비에 필수적입니다. . 이는 획득 시간이 제한된 애플리케이션에 문제가 될 수 있습니다.

시간에 영향을 미치는 또 다른 중요한 요소는 물체를 캡처하는 기술의 능력입니다. 동작 중 (컨베이어 벨트 위의 물체, 움직이는 로봇에 부착된 센서 등). 동적 장면을 고려할 때 '원샷 접근법'만 적용 가능 (데이터 수집 시간 매개변수에서 5점으로 표시됨). 다른 접근 방식에서는 3D 표면을 캡처하기 위해 여러 프레임이 필요하기 때문에 스캔한 개체가 움직이거나 센서가 움직이면 출력이 왜곡되기 때문입니다.

주기 시간과 관련된 또 다른 측면은 애플리케이션이 반응적이고 즉각적인 결과가 필요한지 여부입니다. (예:스마트 로보틱스, 분류 등) 또는 나중에 결과를 제공하기에 충분 (예:오프라인 계측, 공장 평면도 재구성, 범죄 현장 디지털화 등).

일반적으로 획득 시간이 길수록 품질이 높아지고 그 반대도 마찬가지입니다. 고객이 짧은 시간과 높은 품질을 요구한다면 "병렬 구조광" 방식이 최적의 솔루션입니다.

데이터 획득 시간 :

1. 매우 높음:분 이상

2. 높음:~5초

3. 중간:~2초

4. 짧음:~500ms

5. 매우 짧음:~50ms

데이터 처리 시간 :

1. 매우 높음:시간 이상

2. 높음:~5초

3. 중간:~2초

4. 짧음:~500ms

5. 매우 짧음:~50ms

해상도

해상도는 세부사항을 인식하는 시스템의 능력입니다. . 큰 작동 볼륨 내에 작은 3D 기능이 있는 애플리케이션에는 고해상도가 필요합니다.

모든 카메라 기반 시스템에서 해상도를 높이는 데 있어 가장 큰 문제는 개별 픽셀에 도달하는 빛의 양이 감소한다는 것입니다. 컨베이어 벨트에서 사과를 분류하는 애플리케이션을 상상해 보십시오. 처음에는 사과 크기만 정렬 매개변수입니다. 그러나 고객은 스토킹이 있는지 확인해야 할 수도 있습니다. 데이터 분석은 필요한 데이터를 얻기 위해 개체 샘플링 해상도를 두 번 확장해야 함을 보여줍니다.

물체 샘플링 해상도를 2배로 높이려면 이미지 센서의 해상도를 4배로 높여야 합니다. 이는 빛의 양을 4배로 제한합니다(동일한 광선이 4개의 픽셀로 나뉩니다). 그러나 까다로운 부분은 원래 시스템의 피사계 심도를 확보해야 한다는 것입니다. 그러기 위해서는 조리개를 줄여야 합니다. 이렇게 하면 빛이 또 다른 4배로 제한됩니다. 즉 동일한 품질로 개체를 캡처하려면 개체를 16배 더 긴 시간에 노출시키거나 16배 더 강한 광원이 필요합니다. 이는 실시간 시스템의 가능한 최대 해상도를 크게 제한합니다.

일반적으로 스캔한 개체를 빠르게 캡처하려면 필요한 최소 해상도를 사용하십시오. 또한 처리 시간이 단축되어 시간을 절약할 수 있습니다. 대안으로 일부 기기(예:Photoneo의 PhoXi 3D 스캐너)에는 중간 해상도와 고해상도 간 전환 기능이 있습니다. 애플리케이션의 요구에 맞게.

평균 측정당 3D 포인트에 따른 5가지 카테고리 , 또는 XY 해상도 :

1. 매우 적음:~100k 포인트

2. 소형:~30만 포인트(VGA)

3. 매체:~100만 포인트

4. 높음:~4M 포인트

5. 연장:~1억 포인트

정확성 및 정확성

정확도는 깊이 정보를 검색하는 시스템의 능력입니다. 일부 기술은 정확한 측정을 위해 확장 가능하지만(예:대부분의 삼각 측량 시스템) 일부 기술은 물리적 제한(비행 시간 시스템과 같은) 때문이 아닙니다.

이를 깊이 해상도라고 합니다. :

1. 매우 작음:>10cm

2. 작음:~2cm

3. 중간:~2mm

4. 높음:~250um

5. 매우 높음:~50um

견고함

견고성은 다양한 조명 조건에서 고품질 데이터를 제공하는 시스템의 능력을 의미합니다. 예를 들어 일부 시스템은 외부 조명에 의존합니다. (예:햇빛 또는 실내 조명) 또는 제한된 주변 조명 수준(시스템 작동의 일부가 아닌 조명) 내에서만 작동할 수 있습니다. 주변 조명 내부 센서가 보고하는 강도 값을 높이고 측정 노이즈를 증가 .

많은 접근 방식이 수학을 사용하여 더 높은 수준의 저항을 달성하려고 시도하지만(블랙 레벨 빼기와 같은) 이러한 기술은 다소 제한적입니다. 문제는 "샷 노이즈" 또는 "양자 노이즈"라고 하는 특정 노이즈에 있습니다. . 즉, 평균 10,000개의 광자가 픽셀에 도달하면 해당 숫자의 제곱근인 100이 불확실성의 표준 편차입니다. .

문제는 주변 조명 수준에 있습니다. 주변 조명으로 인한 "샷 노이즈"가 시스템의 활성 조명에서 나오는 신호 수준을 초과하면 겉보기 데이터 품질이 떨어집니다. . 즉, 주변 조명은 결국 유용한 신호를 초과하여 최종 3D 데이터 품질을 방해할 수 있는 불필요한 노이즈와 함께 제공됩니다.

외부 조건을 정의해 보겠습니다. 장치가 작동할 수 있는 위치:

1. 실내, 암실

2. 실내, 차폐 작동 볼륨

3. 실내, 강력한 할로겐 조명 및 우유 유리창

4. 실외, 간접광

5. 야외, 직사광선

다양한 재료 스캔의 견고성에 대해 이야기할 때 , 결정적인 요소는 상호 반사 작업 능력입니다.

1. 확산되고 잘 짜여진 재료(바위 등)

2. 확산 재료(흰 벽)

3. 반광택 소재(양극산화알루미늄)

4. 광택 소재(광택 스틸)

5. 거울 같은 표면(크롬)

디자인 및 연결성

3D 비전 시스템의 물리적 견고성에 영향을 미치고 까다로운 산업 환경에서도 높은 성능을 보장하는 몇 가지 요소가 있습니다. 여기에는 열 보정, PoE(Power over Ethernet) 및 24V와 같은 전원 공급 옵션, 산업용 등급 3D 스캐너가 최소 IP65를 목표로 해야 하는 적절한 IP 등급이 포함됩니다.

또 다른 요인은 일부 응용 프로그램에서의 사용을 제한하는 장치의 무게와 크기입니다. 가볍고 콤팩트하지만 강력한 솔루션을 갖추면 고객은 기본적으로 어디에나 장착할 수 있습니다. 이것이 PhoXi 3D 스캐너가 탄소 섬유 본체를 특징으로 하는 이유입니다. . 열 안정성과 함께 더 긴 기본 시스템에도 가벼운 무게를 제공합니다.

1. 매우 무거움:>20kg

2. 무거움:~ 10kg

3. 미디엄:~ 3kg

4. 경량:~ 1kg

5. 초경량:~ 300g

가격 대비 성능 비율

3D 비전 시스템의 가격은 또 다른 중요한 매개변수입니다. 애플리케이션은 고객에게 가치를 제공해야 합니다. 중요한 문제(예산이 큰 문제)를 해결하거나 프로세스를 보다 경제적으로 만들 수 있습니다(예산에 민감함).

일부 가격 측면은 특정 기술과 관련이 있고 다른 측면은 생산량 또는 제공되는 서비스 및 지원으로 정의됩니다. 최근 소비자 시장은 대량 생산을 활용하여 저렴한 3D 센싱 기술을 가져왔습니다 . 반면에 이러한 기술에는 사용자 정의 및 업그레이드 가능성 부족, 견고성, 제품 라인 가용성 및 제한된 지원과 같은 단점이 있습니다. .

가격에 기반한 3D 비전 기술 :

1. 매우 높음:~100,000유로

2. 고점:~25,000유로

3. 매체:~10,000유로

4. 최저가:~1000유로

5. 매우 낮음:~200유로

이제 3D 비전 시스템의 기본 매개변수가 무엇인지, 특정 애플리케이션에서 다양한 목적으로 각 매개변수가 수행하는 역할을 알게 되었습니다.

다음 기사에서는 개별 3D 감지 기술이 이러한 매개변수와 관련하여 어떻게 작동하는지, 이들 사이의 기본적인 차이점은 무엇이며 한계와 이점은 무엇인지 설명할 것입니다.