Cómo el aumento de 20 dB en el rango dinámico transforma el escaneo 3D industrial

Normalmente, cuanto más lejos escaneas, más borroso se vuelve.

El escaneo 3D industrial se ha topado con un muro:se puede escanear con precisión o escanear lejos. Sin embargo, el PhoXi 3D Scanner Gen3 supera esta limitación gracias a una gran cantidad de mejoras como la tecnología láser azul o el rango dinámico ampliado.

Gracias a las últimas mejoras, ahora puedes automatizar la carga de camiones, el paletizado profundo y el montaje a gran escala. 

Pero, en primer lugar, ¿cuál es el rango dinámico? 

¿Qué es el rango dinámico en el escaneo 3D?

El rango dinámico en el escaneo 3D representa la relación entre las señales de luz más fuertes y más débiles que un sensor puede capturar y procesar de manera efectiva. 

Medida en decibeles (dB), esta especificación determina directamente la capacidad de un escáner para extraer datos 3D significativos de escenas desafiantes, particularmente a distancias extendidas.

En dispositivos de escaneo 3D con luz estructurada como el escáner PhoXi 3D, un proyector láser crea patrones en los objetos objetivo mientras las cámaras capturan la luz reflejada para calcular las coordenadas 3D. 

El desafío está en la física. A medida que aumenta la distancia, la luz proyectada se expande y se debilita según la ley del cuadrado inverso, mientras que las señales reflejadas se vuelven cada vez más débiles.

Objetos de diversos materiales y texturas, nube de puntos de colores Objetos de diversos materiales y texturas, normales

El problema de la distancia

Las físicas fundamentales que actúan en contra del escaneo 3D de largo alcance incluyen:

• Degradación de la señal: La intensidad de la luz disminuye con el cuadrado de la distancia.
• Interferencia de ruido: Las fuentes de luz ambiental compiten con los patrones de luz estructurados.
• Desafíos de exposición: Los objetos distantes requieren exposiciones más largas, lo que aumenta el riesgo de desenfoque por movimiento.
• Disminución de la relación señal-ruido: Las señales débiles se pierden en el ruido de fondo.

Esto crea lo que los ingenieros llaman el "dilema de sobreexposición versus subexposición":las configuraciones que capturan objetos distantes a menudo sobresaturan las superficies cercanas, mientras que las configuraciones optimizadas para objetos cercanos no logran detectar características distantes.

Cómo el escáner PhoXi 3D Gen3 logra un rango dinámico mejorado

El PhoXi 3D Scanner Gen3 logra una mejora en la extensión del rango dinámico a través de un enfoque de ingeniería de múltiples componentes que aborda todos los aspectos de la cadena de captura y procesamiento de la señal.

Enfoque de ingeniería multicomponente

1. Tecnología de proyección láser azul

La transición de la proyección láser roja a la azul ofrece múltiples ventajas basadas en la física:

• Beneficios de longitud de onda más corta: La luz láser azul tiene una longitud de onda más corta en comparación con la roja, lo que proporciona menos ruido a través de estructuras moteadas más finas y patrones de ruido espectral que perturban menos los datos capturados.
• Dispersión mejorada: Las longitudes de onda más cortas se dispersan más eficazmente en una mayor variedad de superficies, lo que mejora la legibilidad de los patrones en diversos materiales
• Aumento de energía de proyección del 50 %: La generación rediseñada con unidad de proyección láser azul ofrece un 50 % más de energía luminosa dentro de la misma clase de seguridad láser, lo que mejora la intensidad de la señal a distancia

Patrón de luz estructurado de Blue Laser

2. Tecnología avanzada de sensores de 5,1 MP

La nueva arquitectura del sensor incorpora varias mejoras críticas:

• Sensibilidad mejorada: Mejor capacidad de captura de señales para reflejos débiles de objetos distantes
• Relación señal-ruido mejorada: El diseño de píxeles avanzado reduce la interferencia de ruido
• Capacidad de rango dinámico extendido: Soporte a nivel de hardware para procesar señales en un rango de intensidad mucho más amplio

3. Procesamiento de alto rango dinámico

Los sofisticados algoritmos integrados directamente en el dispositivo proporcionan:

• Procesamiento HDR en tiempo real: Software avanzado y procesamiento a nivel de sensor que maneja variaciones extremas de señal
• HDR multiexposición: Una imagen única y detallada para escenas complejas con distancias mixtas.
• Supresión de ruido: Técnicas de filtrado avanzadas que preservan las señales débiles y eliminan las interferencias

4. Sistema óptico optimizado

El rediseño completo de los componentes ópticos incluye:

• Lentes mejoradas: Eficiencia de recolección de luz mejorada y mejor enfoque en rangos extendidos
• Filtros ópticos avanzados: Filtrado optimizado para longitudes de onda de láser azul y supresión de luz ambiental
• Mejor transmisión de luz: Pérdidas ópticas reducidas en todo el recorrido de la luz

Rendimiento en el mundo real:hasta más de 6 metros de distancia

La generación anterior de PhoXi 3D Scanner estableció puntos de referencia en la industria con escaneo confiable de hasta más de 4 metros. 

El Gen3 amplía esta capacidad a más de 6 metros con demostraciones experimentales que alcanzan varias decenas de metros cuando se abren los volúmenes de escaneo.

¿Se pregunta cómo abrir el volumen de escaneo? Aquí está la guía rápida de Tomas Michalik:

Resultados experimentales

Abrir el volumen de escaneo no es sólo un concepto teórico. Ya hemos demostrado aplicaciones del mundo real utilizando esta técnica: 

• Escaneo de remolques de 17 metros: Los sistemas automatizados de carga de camiones detectan con éxito objetos extraños en toda la longitud de los remolques de envío
• Operaciones de paletizado profundo: Sistemas que funcionan desde alturas de 5,2 metros manteniendo la precisión para pilas de 2,6 metros de altura
• Aplicaciones de campo de visión amplio: Soluciones de un solo sensor que reemplazan configuraciones complejas de múltiples sensores

Escaneo 3D de un camión desde una distancia de 16 metros

¿Cómo puede su aplicación beneficiarse del rango dinámico ampliado?

1. Arquitectura de sistema simplificada

Enfoque tradicional de sensores múltiples:

• Múltiples escáneres 3D que requieren una calibración precisa
• Algoritmos complejos de unión de datos
• Aumento de los puntos de fallo y requisitos de mantenimiento
• Mayores costes iniciales y complejidad de integración

Solución de sensor único PhoXi Gen3:

• Cobertura completa con un solo dispositivo
• Se eliminó la complejidad de la calibración entre sensores
• Reducción de costes de hardware y tiempo de instalación
• Procedimientos de mantenimiento simplificados

2. Flexibilidad de aplicaciones mejorada

Aplicaciones de logística:

• Inspección automatizada de carga de camiones: La capacidad de escanear interiores de remolques de más de 17 metros permite la detección completa de objetos extraños antes de las operaciones de carga, eliminando la necesidad de múltiples sensores o procesos de inspección manuales.
• Sistemas de Paletizado Profundo: Los sensores montados a 5,2 metros por encima de las operaciones pueden guiar con precisión a los robots colaborativos a través de complejas tareas de paletizado en pilas de 2,6 metros, lo que permite operaciones de almacén totalmente automatizadas.
• Manipulación de contenedores grandes: Los sistemas de manipulación KLT (tote) se benefician del escaneo de rango extendido de bordes delgados, lo que permite que los grandes robots industriales manejen múltiples capas de manera eficiente mientras mantienen la precisión.

Contenedor de comestibles con materiales transparentes

Aplicaciones automotrices:

• Recogida de contenedores montados en altura: Los grandes robots industriales ahora pueden trabajar con contenedores profundos mientras los sensores mantienen distancias seguras, lo que elimina los riesgos de colisión y mejora la seguridad operativa.
• Detección del panel lateral: La cobertura completa del campo de visión permite la localización de orificios de montaje y capacidades de inspección simultánea, lo que simplifica procesos de ensamblaje complejos que antes requerían múltiples sistemas de visión.
• Selección de piezas posterior al estampado: Los sensores se pueden colocar a distancias seguras de las operaciones de estampado mientras se mantiene el campo de visión necesario para manejar diversas geometrías de piezas desde una única línea de estampado.
• Inspección de subchasis grande: Giga Press y los componentes automotrices Hyper Cast requieren escaneo de múltiples perspectivas para control de calidad, detección de rebabas y verificación dimensional:aplicaciones ahora habilitadas por capacidades de rango extendido.

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3. Ventajas operativas

El rango dinámico ampliado se traduce en importantes mejoras operativas:

• Posicionamiento flexible del sensor: Las distancias de seguridad de los sistemas robóticos ya no comprometen la capacidad de escaneo.
• Manejo de objetos mixtos: Los sistemas individuales pueden procesar tanto piezas pequeñas de precisión como conjuntos grandes.
• Tiempos de ciclo reducidos: La eliminación de la coordinación multisensor reduce el tiempo de escaneo.
• Fiabilidad mejorada: Menos componentes del sistema significan menos puntos potenciales de falla.

La física detrás del rendimiento

Analicemos cómo podríamos lograrlo. 

Intensidad de la señal

La mejora del rango dinámico de 20 dB representa una mejora espectacular en la capacidad de procesamiento de señales. 

En términos prácticos, esto se traduce en una mejora de aproximadamente 100 veces en la capacidad del sensor para distinguir señales útiles del ruido de fondo.

Esta mejora tiene implicaciones directas en el mundo real:

• Capacidad de distancia: El escaneo confiable se extiende desde 4 metros hasta más de 6 metros
• Robustez de la señal: Precisión mantenida en todo el rango extendido
• Versatilidad de materiales: Rendimiento mejorado en superficies desafiantes a distancia

Integración de supresión de luz ambiental

El rango dinámico extendido funciona sinérgicamente con la tecnología Ambient Light Suppression (ALS) 3.0 de Photoneo. La combinación permite:

• Capacidad de escaneo en exteriores: Las condiciones de luz solar directa ya no impiden la captura fiable de datos 3D
• Tolerancia de iluminación variable: Los sistemas mantienen el rendimiento a medida que las condiciones ambientales cambian durante los períodos operativos
• Flexibilidad en múltiples entornos: Las configuraciones únicas funcionan de manera confiable en diversos escenarios de iluminación

La implementación técnica utiliza técnicas inteligentes de operación de sensores y algoritmos de procesamiento para eliminar la influencia de la luz ambiental en varios órdenes de magnitud.

"Desactiva" eficazmente la interferencia de la iluminación ambiental.

Escaneado 3D de cajas en exteriores realizado bajo luz solar directa:PhoXi 3D Scanner Gen3

Aplicaciones industriales y casos de uso

Logística y Almacenamiento

• Sistemas de inspección de remolques: Las operaciones automatizadas de carga de camiones requieren la verificación de que los remolques estén vacíos antes de que comience la carga. La capacidad del PhoXi Gen3 para escanear los 17 metros de longitud total de los remolques de envío elimina la necesidad de múltiples sensores o procesos de inspección manuales, lo que mejora significativamente la eficiencia operativa.
• Operaciones avanzadas de paletizado: Los sistemas de paletizado profundo se benefician enormemente de las capacidades de rango extendido. Los sensores montados a 5,2 metros por encima de las operaciones pueden guiar a los robots colaborativos a través de operaciones de apilamiento complejas manteniendo al mismo tiempo la precisión necesaria para una construcción estable de paletas.
• Procesamiento de paquetes: Los sistemas rápidos de dimensionamiento y detección de defectos en operaciones logísticas de gran volumen requieren flexibilidad para manejar paquetes de tamaños dramáticamente diferentes dentro del mismo volumen de escaneo. El rango dinámico extendido permite soluciones de un solo sensor para operaciones de tamaño mixto.
• Paletizado Mixto: Los requisitos de escaneo de múltiples perspectivas en operaciones de paletizado mixto se benefician de la capacidad de usar sensores rojos y azules simultáneamente, lo que reduce el tiempo de escaneo en un 50 % mientras se mantiene una cobertura completa.

Escaneo 3D colorido de objetos brillantes y oscuros a una profundidad de 6 metros, nube de puntos Normal

Fabricación de automóviles

• Recolección de contenedores profundos: Los grandes robots industriales que trabajan con contenedores profundos requieren sensores colocados a distancias seguras. La capacidad de rango extendido mantiene la precisión y la cobertura completa del campo de visión incluso cuando los sensores están montados muy por encima del área de trabajo.
• Inspección de calidad de componentes grandes: Giga Press y los componentes automotrices hiperfundidos representan una nueva clase de desafíos de fabricación. Estas grandes piezas fundidas de una sola pieza requieren una inspección exhaustiva de rebabas, precisión dimensional y calidad de la superficie. El escaneo multiperspectiva con sensores de rango extendido permite una verificación de calidad completa.
• Localización de piezas complejas: La detección de paneles laterales y aplicaciones similares a menudo requieren la localización de características específicas (orificios de montaje) manteniendo al mismo tiempo el conocimiento de la geometría completa del componente. El alcance ampliado y la integridad mejorada permiten una comprensión integral que antes era imposible con sensores individuales.
• Verificación de ensamblaje: Los grandes conjuntos automotrices requieren sistemas de verificación que puedan capturar relaciones geométricas completas manteniendo distancias seguras de los equipos de producción activos.

Aplicaciones emergentes

• Inspección de paneles solares: La combinación de rango dinámico extendido y supresión de luz ambiental permite aplicaciones de inspección en exteriores que antes eran imposibles con sistemas de iluminación estructurada.
• Aplicaciones de la industria ferroviaria: Los sistemas de inspección de ruedas de tren y monitoreo de pantógrafo se benefician de la capacidad de mantener distancias seguras mientras capturan datos geométricos precisos.

Cómo funciona la implementación 

Funciones de integración sencilla

PhoXi Gen3 hace accesibles capacidades de rango extendido a través de interfaces fáciles de usar:

Extensión de volumen de calibración con un clic: La funcionalidad "Abrir volumen de calibración" permite a los usuarios ampliar el rango de escaneo más allá de los parámetros predeterminados con un solo clic, accesible a través de:

• Interfaz gráfica de usuario de PhoXi Control
• Integración de API
• Protocolos GigE Vision

Opciones de configuración flexibles: Las múltiples opciones de resolución garantizan que los usuarios existentes de generaciones anteriores puedan actualizar manteniendo parámetros operativos familiares. Las nuevas instalaciones pueden aprovechar al máximo las capacidades ampliadas.

Beneficios del diseño del sistema

Flexibilidad de montaje: La capacidad de rango extendido proporciona una flexibilidad significativa en el posicionamiento del sensor, lo que permite:

• Optimización del espacio libre seguro en torno a sistemas robóticos
• Reducción de la complejidad mecánica en los sistemas de montaje de sensores
• Accesibilidad mejorada para mantenimiento y servicio

Arquitectura escalable: Los sistemas se pueden configurar con sensores únicos para la mayoría de las aplicaciones, con configuraciones de sensores múltiples disponibles para los escenarios más exigentes. Las opciones de láser rojo y azul permiten un escaneo verdaderamente simultáneo sin interferencias.