Cómo elegir el sistema de visión 3D adecuado para sus necesidades de automatización industrial

Parámetros básicos a considerar

La visión artificial es una de las fuerzas impulsoras de la automatización industrial. Durante mucho tiempo, ha sido impulsada principalmente por mejoras en la detección de imágenes 2D y para algunas aplicaciones, los métodos 2D siguen siendo una opción óptima.

Sin embargo, la mayoría de los desafíos a los que se enfrenta la visión artificial hoy tienen un carácter 3D. Por tanto, este artículo examina los métodos que potencian los sistemas de visión 3D, permitiendo la captura de una superficie 3D.

Aunque el mercado ofrece una amplia gama de soluciones de sensores 3D, es necesario entender las diferencias entre ellas y su idoneidad para aplicaciones específicas. Es importante darse cuenta de que es imposible en última instancia desarrollar una solución óptima que satisfaga todas las necesidades.

Este artículo se centra en los parámetros más importantes de los sistemas de visión 3D que se deben considerar al seleccionar una solución para una aplicación específica, y cuáles son los compromisos de que algunos parámetros sean bastante altos. Cada parámetro se divide en 5 niveles para una mejor comparación de las tecnologías individuales y las posibilidades que ofrecen.

Nuestro próximo artículo examinará en detalle las tecnologías de sensado 3D y discutirá sus ventajas y limitaciones con respecto a los parámetros de escaneo.

Las tecnologías que impulsan los sistemas de visión 3D se pueden dividir en las siguientes categorías:

A. Tiempo de vuelo

• Escaneo de área
• LiDAR

B. Métodos basados en triangulación

• Triangulación láser (o profilometría)
• Fotogrametría 
• Visión estéreo (pasiva y activa) 
• Luz estructurada (un fotograma, múltiples fotogramas)
• La nueva tecnología "luz estructurada paralela" 

Parámetros

Volumen de escaneo 

Un volumen operativo típico de un sistema usado en aplicaciones de metrología es de unos 100 mm x 100 mm x 20 mm, mientras que el requisito estándar para soluciones de bin picking es aprox. 1 m³. Esto puede parecer un simple cambio de parámetros, sin embargo, diferentes tecnologías pueden sobresalir en diferentes volúmenes operativos.

Mientras que aumentar el rango en las direcciones XY está más relacionado con el campo de visión (FOV) de un sistema y puede extenderse usando una lente más ancha, una extensión en la dirección Z trae el problema de mantener un objeto enfocado. Esto se llama profundidad de campo. Cuanto más profunda necesite ser la profundidad de campo, más pequeña tiene que ser la apertura de la cámara (o proyector). Esto limita fuertemente el número de fotones que llegan al sensor y por tanto limita el uso de algunas tecnologías para un rango de profundidad mayor.

Podemos definir cinco categorías basadas en el rango de profundidad de campo:

1. Muy pequeño: hasta 50 mm

2. Pequeño: hasta 500 mm

3. Mediano: hasta 1500 mm

4. Grande: hasta 4 m

5. Muy grande: hasta 100 m

Aunque el rango de profundidad de una cámara puede extenderse reduciendo la apertura, limitará la cantidad de luz capturada (tanto de la fuente de luz en un sistema activo como de la iluminación ambiental). Un problema más complejo es extender el rango de profundidad de un sistema de proyección activa, donde reducir la apertura limitará solo la señal pero no la iluminación ambiental. Aquí, los sistemas de proyección basados en láser (como los sensores 3D de Photoneo) sobresalen ya que pueden lograr volúmenes grandes y prácticos para aplicaciones robóticas. 

Tiempo de adquisición y procesamiento de datos

Uno de los recursos más valiosos en el escaneo 3D es la luz. Conseguir la mayor cantidad de fotones de una fuente de luz correcta en los píxeles es esencial para una buena relación señal-ruido de la medición. Esto podría ser un desafío para una aplicación con tiempo de adquisición limitado.

Otro factor importante que afecta al tiempo es la capacidad de una tecnología para capturar objetos en movimiento sin detenerse (objetos en una cinta transportadora, sensores unidos a un robot en movimiento, etc.). Al considerar escenas dinámicas, solo son aplicables "enfoques de una sola toma" (marcados con una puntuación de 5 en nuestro parámetro de tiempo de adquisición). Esto es porque otros enfoques requieren múltiples fotogramas para capturar una superficie 3D, por lo que si el objeto escaneado se mueve o el sensor está en movimiento, la salida estaría distorsionada.

Otro aspecto relacionado con el tiempo de ciclo es si una aplicación es reactiva y requiere un resultado instantáneo (p. ej. robótica inteligente, clasificación, etc.) o es suficiente entregar el resultado más tarde (p. ej. metrología offline, reconstrucción de plano de fábrica, digitalización de escena del crimen, etc.).

En general, cuanto mayor el tiempo de adquisición, mayor la calidad, y viceversa. Si un cliente requiere poco tiempo y alta calidad, el método "luz estructurada paralela" es la solución óptima.  

Tiempo de adquisición de datos:

1. Muy alto: minutos o más

2. Alto: ~5s

3. Medio: ~2s

4. Corto: ~500 ms

5. Muy corto: ~50 ms

Tiempo de procesamiento de datos:

1. Muy alto: horas o más

2. Alto: ~5s

3. Medio: ~2s

4. Corto: ~500 ms

5. Muy corto: ~50 ms

Resolución

La resolución es la capacidad de un sistema para reconocer detalles. La alta resolución es necesaria para aplicaciones donde hay pequeñas características 3D dentro de un gran volumen operativo.

El mayor reto para aumentar la resolución en todos los sistemas basados en cámara es la disminución de la cantidad de luz que llega a los píxeles individuales. Imagine una aplicación de clasificación de manzanas en una cinta transportadora. Inicialmente, solo el tamaño de la manzana es el parámetro de clasificación. Sin embargo, el cliente también puede necesitar comprobar la presencia de un tallo. El análisis de datos mostraría que se necesita extender la resolución de muestreo del objeto dos veces para obtener los datos necesarios.

Para aumentar la resolución de muestreo del objeto dos veces, la resolución del sensor de imagen tiene que aumentar por un factor de cuatro. Esto limita la cantidad de luz por un factor de cuatro (el mismo flujo de luz se divide en cuatro píxeles). Sin embargo, la parte complicada es que necesitamos asegurar la profundidad de campo del sistema original. Para hacerlo, necesitamos reducir la apertura, lo que limitará la luz por otro factor de cuatro. Esto significa que para capturar los objetos con la misma calidad, o bien necesitamos exponerlos dieciséis veces más tiempo o necesitamos fuentes de luz dieciséis veces más potentes. Esto limita fuertemente la resolución máxima posible de sistemas en tiempo real.

Como regla general, use la resolución mínima requerida para poder capturar objetos escaneados rápido. También ahorrará algo de tiempo gracias al menor tiempo de procesamiento. Como alternativa, algunos dispositivos (p. ej. el Escáner 3D PhoXi de Photoneo) tienen la capacidad de cambiar entre resolución media y alta para adaptarse a las necesidades de una aplicación.

5 categorías según puntos 3D promedio por medición, o Resolución XY:

1. Muy pequeña: ~100k puntos

2. Pequeña: ~300k puntos (VGA)

3. Mediana: ~1M puntos

4. Alta: ~4M puntos

5. Extendida: ~100M puntos

Precisión y exactitud

La precisión es la capacidad de un sistema para recuperar información de profundidad. Mientras que algunas tecnologías son escalables para obtener una medición precisa (como la mayoría de los sistemas de triangulación), otras no lo son debido a limitaciones físicas (como los sistemas de tiempo de vuelo). 

Llamamos a esto resolución de profundidad:

1. Muy pequeña: >10 cm

2. Pequeña: ~2 cm

3. Mediana: ~2 mm

4. Alta: ~250 µm

5. Muy alta: ~50 µm

Robustez

La robustez se refiere a la capacidad de un sistema para proporcionar datos de alta calidad en diversas condiciones de iluminación. Por ejemplo, algunos sistemas dependen de la luz externa (como la luz solar o la iluminación interior) o solo pueden operar dentro de niveles limitados de luz ambiental (luz que no forma parte de la operación del sistema). La luz ambiental aumenta los valores de intensidad reportados por sensores internos y aumenta el ruido de medición.

Muchos enfoques intentan lograr un mayor nivel de resistencia usando matemáticas (como la sustracción de nivel negro) pero estas técnicas son bastante limitadas. El problema reside en un ruido específico, llamado "ruido de disparo" o "ruido cuántico". Esto significa que si diez mil fotones de media llegan a un píxel, la raíz cuadrada de ese número – cien – es la desviación estándar de incertidumbre.

El problema está en el nivel de iluminación ambiental. Si el "ruido de disparo" causado por la iluminación ambiental supera los niveles de señal de la iluminación activa del sistema, la calidad aparente de los datos cae. En otras palabras, la iluminación ambiental viene con un ruido innecesario que puede eventualmente sobrepasar la señal útil y así perturbar la calidad final de los datos 3D.

Definamos las condiciones externas donde un dispositivo puede operar:

1. Interior, habitación oscura

2. Interior, volumen operativo blindado

3. Interior, luces halógenas fuertes y ventanas de vidrio lechoso

4. Exterior, luz solar indirecta

5. Exterior, luz solar directa

Al hablar de la robustez del escaneo de diferentes materiales, el factor decisivo es la capacidad de trabajar con interreflexiones:

1. Materiales difusos, bien texturizados (rocas, …)

2. Materiales difusos (pared blanca)

3. Materiales semibrillantes (aluminio anodizado)

4. Materiales brillantes (acero pulido)

5. Superficies tipo espejo (cromo)

Diseño y conectividad

Hay varios factores que influyen en la robustez física de los sistemas de visión 3D y aseguran su alto rendimiento incluso en entornos industriales desafiantes. Estos incluyen calibración térmica, opciones de alimentación como PoE (Power over Ethernet) y 24 V, y una clasificación IP adecuada, donde los escáneres 3D de grado industrial deberían aspirar a un mínimo de IP65.

Otros factores son el peso y el tamaño de un dispositivo, que limitan su uso en algunas aplicaciones. Tener una solución ligera y compacta, pero potente, permitirá a los clientes montarla básicamente en cualquier lugar. Esta es la razón por la que el Escáner 3D PhoXi cuenta con un cuerpo de fibra de carbono. Junto con la estabilidad térmica, ofrece un peso ligero incluso para sistemas de base larga.

1. Muy pesado: >20 kg

2. Pesado: ~ 10 kg

3. Medio: ~ 3 kg

4. Ligero: ~ 1 kg

5. Muy ligero: ~ 300 g

Relación precio/rendimiento

El precio de un sistema de visión 3D es otro parámetro importante. Una aplicación necesita aportar valor al cliente. Puede resolver un problema crítico (posiblemente de gran presupuesto) o hacer un proceso más económico (sensible al presupuesto).

Algunos aspectos de precio están relacionados con tecnologías particulares, otros están definidos por el volumen de producción o los servicios y soporte proporcionados. En años recientes, el mercado de consumo ha traído tecnologías de sensado 3D baratas utilizando producción en masa. Por otro lado, tales tecnologías vienen con desventajas como la falta de posibilidad de personalización y actualizaciones, robustez, disponibilidad de línea de producto y soporte limitado.

Tecnologías de visión 3D según su precio:

1. Muy alto: ~100k EUR

2. Alto: ~25k EUR

3. Medio: ~10k EUR

4. Bajo: ~1000 EUR

5. Muy bajo: ~200 EUR

Ahora conoce los parámetros básicos de los sistemas de visión 3D y el papel que cada uno juega en aplicaciones específicas y para diferentes propósitos.

Nuestro próximo artículo explicará cómo funcionan las tecnologías individuales de sensado 3D con respecto a estos parámetros, cuáles son las diferencias básicas entre ellas, y cuáles son sus limitaciones y ventajas.