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新型 3D 视觉技术——应对机器视觉的挑战

来源:控制工程网2021.11.10阅读 4459

  3D 视觉技术必须发展并适应不断变化的市场条件——尤其是在加速变化的时期,例如新冠疫情的全球爆发几乎改变了生活的方方面面。不同类型的 3D技术适合不同行业的不同任务和应用。无论是立体视觉、激光三角测量、结构光、飞行时间 (ToF) 还是其他技术,3D成像技术正在不断发展并扩展到更多的市场,帮助最终用户和原始设备制造商解决新的具有挑战性的成像问题。
  利用3D区域扫描技术
  由于COVID-19疫情的爆发,人们以前所未有的需求转向电子商务平台,对涉及物流、仓储和包装的公司提出了巨大的挑战,这些公司被迫不断地扩大运营规模和业务。很多物流和仓储应用程序——包括货物的交付、仓储和包装,在很大程度上依赖于各种类型的3D 成像技术。
  “货箱拣选应用程序需要实施区域扫描和3D点云。尽管货箱拣选可以说是最广为人知的事实,但它却是最难实施的 3D 类型之一。” Integro Technologies公司首席视觉系统架构师 David Dechow 说,“目前,大多数货箱拣选还不能满足所有客户的需求,因为它需要极高的速度、随机拣选,并且需要机器人像人一样移动。”

  使用飞行时间计算和测量
  虽然立体视觉和结构光等区域扫描 3D 技术可能有助于货箱拣选应用,但飞行时间 (ToF) 技术更有助于完成诸如测量和计算箱子尺寸之类的任务。 
  LUCID Vision Labs的新型 Helios2 ToF 相机针对物流、物料搬运和机器人应用,与旧版本的Helios相比,新型相机的透光率提高2.5倍,3D精度提高了50% 以上。客户的需求是该公司不断突破技术极限的动力。 LUCID公司创始人兼总裁 Rod Barman 表示:“考虑到这一点,我们将最新技术融入设计的产品以适应当前和未来潜在的应用挑战,例如尺寸测量、机器人和 AGV。”
  对于康耐视而言,物流领域中3D应用的最大需求是盒子尺寸标注,尤其是当零件在运动中移动时。过去,在此类应用中,通常采用多个激光器和一个外部摄像头有助于捕获图像。但是,现在通过类似于3D-A1000的系统,将2D和3D结合在一起的智能相机可以从web界面快速标注尺寸。
  康耐视3D 产品高级总监兼业务部门经理 John Keating 解释说,“使用A1000系统可以简化设置。这是一个基于网络的界面,但它仍然是一个In-Sight 摄像头,它提供了一个简单的设置演练。”3D的应用部署越容易,人们对 3D的担忧就越少。
  Keating 表示,随着客户在3D-A1000上取得成功,物流领域开辟了新的 3D 应用程序,例如在经典的空托盘场景中定位物体,这在很长一段时间内一直是一个困难的应用。
  对于Matrox Imaging公司3D传感器产品经理 Mathieu Larouche 而言,传统应用,例如用于拣箱和码垛的视觉引导机器人以及箱子尺寸测量,也是 3D 成像背后的重要驱动力。为了让客户更轻松,Matrox公司还积极参与对GenICam的GenDC模块的支持,旨在标准化 3D 相机/传感器和应用软件之间的组件数据交换。
  就市场的潜在影响而言,Larouche认为,3D成像的一个潜在的有趣领域是将深度学习应用于3D成像,以推广后者的使用。
  周期时间的注意事项
  包装应用也越来越多地依赖于3D视觉,CapSen Robotics公司首席执行官 Jared Glover 表示,但最终用户和OEM厂商必须预先考虑周期时间需求,以避免出现任何问题。
  在许多3D视觉引导的机器人应用中,机器人在每次取货或放货时的移动方式是不同的,比如说,与重复相同动作的机器人相比,3D视觉引导机器人的周期时间不会太稳定,这就是为什么在生产线设计中考虑这个因素很重要。应该在拣选机器人前后建立额外的缓冲区,或者如果需要在没有偏差的情况下达到一定的周期时间,应该增加额外的机器人作为冗余。
  该公司设计其 CapSen PiC 货箱拣选产品时就考虑了这些周期时间。该系统使用高度加速的专有 GPU 数学库以及并行图像处理和运动控制,在传统 6 轴机器人上实现低至两秒的循环时间。
  “考虑这样一个场景,箱子里装满了瓶子,不得不处理倾斜之类的问题,” Keating说,“当瓶子四处移动时,2D 视觉会出现问题,但 3D 视觉提供了理解深度的能力。” 与传统系统相比,康耐视全新的 In-Sight 3D-L4000 嵌入式视觉系统能使用户将视觉工具直接用于元件的3D图像,可提供更高的准确性,从而扩展了可以执行的检测类型。
  康耐视在帮助客户如何快速解决包装问题的方面看到了巨大的潜力。例如,在客户需要看到较低层级混合的特定区域下方的情况下,3D 成像解决了这个问题。
  软件为工厂内外打开新的大门
  在可能被认为是传统机器视觉之外的一些应用也受益于3D视觉。以铁路检测为例。高速、持续振动和恶劣的环境条件可能使3D铁路检测应用变得困难。但是,如果安装正确,检查轨道轮廓和轮辋的磨损和损坏将有助于防止事故,并确保安全和可靠的运行。这是Photonfocus公司基于三角测量的相机的一个流行应用,它使用外部激光器和单独的相机,而不是一个集成单元。
  Photonfocus为此类应用提供了一些特定优势,包括名为 LinLog的相机内固件功能,该功能允许相机实时执行高动态范围成像。使用 LinLog用户可以同时拥有明亮和黑暗的条件,该技术提供可用于检查目的的平均图像。
  检测多个激光线轮廓是一项复杂的检测任务。Photonfocus 通过其 Multipeak Linefinder 算法提供此功能。例如,当激光束经过镜面反射时,它会四处反弹,形成一条主线和许多次要线。Photonfocus 算法可帮助 OEM 找到合适的激光线以进行检查。
  “我们在 3D 算法方面拥有丰富的经验,总是根据客户的需求改进它们,” Photonfocus公司固件/设计主管 Reto Lienhardt 说,“例如,在扫描金属或玻璃时,反射的固有问题可以在算法中解决。这是我们为客户并行检测多条线路的主要原因之一,也是为什么我们的 3D 解决方案与其他几个市场一起部署到铁路检测中的原因。”
  对于想要开发自己的专用 3D 成像系统的机器制造商和系统集成商,Euresys公司的 Open eVision 软件中包含的 Easy3D 库等软件工具可以帮助其开发 3D 机器视觉检测应用程序。例如,如果客户希望使用投影到移动表面上的一条或两条激光线来实施 3D 成像系统,则需要提取激光线,然后将其转换为高度图或 3D 点云,这是 3D 处理和分析所需的,该公司美洲销售和支持副总裁 Mike Cyros 解释说。
  “除了 Easy3D 软件库之外,Euresys 还通过我们的 Coaxlink Quad 3D-LLE 图像采集卡为此类应用提供现成的硬件,它可以自动、即时地从 CoaXPress 相机中提取激光线,”他说。“我们不是提供完整的固定功能 3D 解决方案,而是为客户提供必要的构建块,让他们能够更轻松地构建自己的 3D 视觉系统。”Easy3D 软件和 Coaxlink Quad 3D-LLE 为系统开发人员提供了易于使用的广泛功能。
  不断向前发展的3D 成像技术
  3D成像技术继续发展,并可能达到拐点。John Keating建议,人们会开始将3D视为一个通用术语,指的是以不同方式创建3D图像的不同设备的集合,就像有以不同方式创建2D图像的2D相机一样。
  “3D不能被视为一种单一类型的技术,因为我们有基于激光的方法、飞行时间、立体视觉等类型。”他说,“我认为人们开始动摇他们对 3D 的先入为主的观念,并将开始以与 2D 更相似的方式思考它。”
  甚至有些时候 3D 成像技术的名称也不尽相同。许多公司在市场上不会以相同的名称来称呼他们的产品,但使用其他名称的解决方案仍然可以提高生产率,这才是最重要的。(作者:Jimmy Carroll)