Sistemas de visión 3D:¿cuál es el adecuado para usted?

Parámetros básicos a tener en cuenta

La visión artificial es una de las fuerzas impulsoras de la automatización industrial. Durante mucho tiempo, ha sido impulsado principalmente por las 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 que enfrenta la visión artificial hoy en día tienen un carácter 3D. Por lo tanto, este artículo analiza los métodos que potencian los sistemas de visión 3D, lo que permite la captura de una superficie 3D .

Si bien el mercado ofrece una amplia gama de soluciones de sensores 3D, es necesario comprender las diferencias entre ellos y su idoneidad para aplicaciones específicas. Es importante darse cuenta de que es finalmente imposible 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 tener en cuenta al seleccionar una solución para una aplicación específica y cuáles son las ventajas y desventajas 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 mire las tecnologías de detección 3D en detalle y analice 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. Hora de vuelo

• Exploración de área
• LIDAR

B. Métodos basados ​​en triangulación

• Triangulación láser (o perfilometría)
• Fotogrametría
• Visión estereoscópica (pasiva y activa)
• Luz estructurada (un cuadro, varios cuadros)
• La nueva tecnología de “luz estructurada paralela”

Parámetros

Volumen de escaneo

Un volumen operativo típico de un sistema utilizado en aplicaciones de metrología es de aproximadamente 100 mm x 100 mm x 20 mm, mientras que el requisito estándar para las soluciones de recolección de contenedores es de aprox. 1 metro ³ . Esto puede parecer un simple cambio en los 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 FOV (campo de visión) 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 la profundidad de campo . Cuanto mayor sea la profundidad de campo debe ser, cuanto menor sea la apertura de la cámara (o proyector) tiene que ser. Esto limita en gran medida la cantidad de fotones que llegan al sensor y, por lo tanto, limita el uso de algunas tecnologías para un rango de profundidad más alto.

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

1. Muy pequeño:hasta 50 mm

2. Pequeño:hasta 500 mm

3. Medio:hasta 1500 mm

4. Grandes:hasta 4 m

5. Muy grande:hasta 100 m

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

Adquisición de datos y tiempo de procesamiento

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

Otro factor importante que afecta el tiempo es la capacidad de una tecnología para capturar objetos. en movimiento sin detenerse (objetos en una cinta transportadora, sensores conectados a un robot en movimiento, etc.). Al considerar escenas dinámicas, solo se aplican "enfoques de una sola toma" (marcado con una puntuación de 5 en nuestro parámetro de tiempo de adquisición de datos). Esto se debe a que otros enfoques requieren varios fotogramas para capturar una superficie 3D, por lo tanto, si el objeto escaneado se mueve o el sensor está en movimiento, la salida se distorsionará.

Otro aspecto relacionado con el tiempo de ciclo es si una aplicación es reactiva y requiere un resultado instantáneo (por ejemplo, robótica inteligente, clasificación, etc.) o es suficiente para entregar el resultado más tarde (por ejemplo, metrología fuera de línea, reconstrucción del plano de planta de una fábrica, digitalización de la escena del crimen, etc.).

En general, cuanto mayor sea el tiempo de adquisición, mayor será la calidad y viceversa. Si un cliente requiere poco tiempo y alta calidad, el método de “luz estructurada en paralelo” es la solución óptima.

Tiempo de adquisición de datos​:

1. Muy alto:minutos y más

2. Alto:~5s

3. Medio:~2s

4. Corto:~500ms

5. Muy corto:~50 ms

Tiempo de procesamiento de datos​:

1. Muy alto:horas y más

2. Alto:~5s

3. Medio:~2s

4. Corto:~500ms

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 desafío para aumentar la resolución en todos los sistemas basados ​​en cámaras 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 una manzana es el parámetro de clasificación. Sin embargo, el cliente también puede necesitar verificar la presencia de un tallo. El análisis de datos mostraría que uno necesita extender la resolución de muestreo de objetos dos veces para obtener los datos necesarios.

Para aumentar la resolución de muestreo de objetos 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 hacer eso, 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, debemos exponerlos a dieciséis veces más tiempo o necesitamos fuentes de luz dieciséis veces más potentes. Esto limita fuertemente la resolución máxima posible de los sistemas en tiempo real.

Como regla general, use la resolución mínima requerida para poder capturar objetos escaneados rápidamente. También ahorrará algo de tiempo gracias al menor tiempo de procesamiento. Como alternativa, algunos dispositivos (por ejemplo, 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 el promedio de puntos 3D por medición , o Resolución XY ​:

1. Muy pequeño:~100k puntos

2. Pequeño:~300k puntos (VGA)

3. Medio:~1 millón de puntos

4. Alto:~4 millones de puntos

5. Extendido:~100 millones de puntos

Exactitud y precisión

La precisión es la capacidad de un sistema para recuperar información de profundidad. Si bien 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).

A esto lo llamamos resolución de profundidad ​:

1. Muy pequeño:>10 cm

2. Pequeño:~2 cm

3. Medio:~2 mm

4. Alto:~250 um

5. Muy alto:~50 um

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 luz externa (como la luz del sol o la iluminación interior) o solo pueden funcionar con niveles de luz ambiental limitados (luz que no forma parte del funcionamiento del sistema). Luz ambiental aumenta los valores de intensidad informados por los sensores internos y aumenta el ruido de medición .

Muchos enfoques intentan lograr un mayor nivel de resistencia utilizando las matemáticas (como la resta del 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 en promedio alcanzan un píxel, la raíz cuadrada de ese número, cien, es la desviación estándar de la incertidumbre. .

El problema radica 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 disminuye . En otras palabras, la iluminación ambiental viene con un ruido innecesario que eventualmente puede superar la señal útil y, por lo tanto, perturbar la calidad final de los datos 3D.

Definamos condiciones externas donde un dispositivo puede operar:

1. Adentro, cuarto oscuro

2. Interior, volumen operativo protegido

3. Interiores, luces halógenas potentes y ventanas de vidrio opaco

4. Al aire libre, luz solar indirecta

5. Al aire libre, luz solar directa

Cuando se habla de la robustez de escanear diferentes materiales ​, el factor decisivo es la capacidad de trabajar con interreflexiones:

1. Materiales difusos y de buena textura (rocas,...)

2. Materiales difusos (pared blanca)

3. Materiales semibrillantes (aluminio anodizado)

4. Materiales brillantes (acero pulido)

5. Superficies tipo espejo (cromadas)

Diseño y conectividad

Hay varios factores que influyen en la solidez 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 (alimentación a través de Ethernet) y 24 V, y una clasificación de IP adecuada, por lo que los escáneres 3D de grado industrial deben 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 liviana y compacta, pero poderosa, permitirá a los clientes montarla básicamente en cualquier lugar. Esta es la razón por la que el escáner 3D PhoXi presenta un cuerpo de fibra de carbono . Además de la estabilidad térmica, ofrece un peso ligero incluso para sistemas básicos más largos.

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 debe aportar valor al cliente. Puede resolver un problema crítico (posiblemente uno de gran presupuesto) o hacer que un proceso sea más económico (sensible al presupuesto).

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

Tecnologías de visión 3D en función de 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 ya sabes cuáles son los parámetros básicos de los sistemas de visión 3D y el papel que juega cada uno de ellos en aplicaciones específicas y para diferentes propósitos.

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