Memilih Sistem Vision 3D yang Tepat untuk Kebutuhan Otomasi Industri Anda
Parameter dasar yang perlu diperhatikan
Machine vision adalah salah satu daya dorong otomatisasi industri. Selama waktu yang lama, ini terutama didorong oleh perbaikan dalam sensing citra 2D dan untuk beberapa aplikasi, metode 2D masih merupakan pilihan optimal.
Namun, mayoritas tantangan yang dihadapi machine vision saat ini memiliki karakter 3D. Oleh karena itu, artikel ini melihat metode yang memberdayakan sistem visi 3D, memungkinkan akuisisi permukaan 3D.
Sementara pasar menawarkan berbagai solusi sensor 3D, seseorang perlu memahami perbedaan di antara mereka dan kesesuaiannya untuk aplikasi tertentu. Penting untuk menyadari bahwa secara tidak mungkin untuk mengembangkan solusi optimal yang akan memenuhi semua kebutuhan.
Artikel ini berfokus pada parameter terpenting dari sistem visi 3D yang perlu dipertimbangkan saat memilih solusi untuk aplikasi tertentu, dan apa trade-off dari beberapa parameter yang cukup tinggi. Setiap parameter dibagi menjadi 5 tingkat untuk perbandingan yang lebih baik dari teknologi individual dan kemampuan yang mereka berikan.
Artikel kami berikutnya akan melihat teknologi sensing 3D secara detail dan membahas kelebihan serta keterbatasannya dengan parameter pemindaian.
Teknologi yang mendorong sistem visi 3D dapat dibagi ke dalam kategori berikut:
A. Time-of-flight
B. Metode berbasis triangulation
- Laser triangulation (atau profilometry)
- Photogrammetry
- Stereo vision (pasif dan aktif)
- Structured light (one frame, multiple frames)
- Teknologi “parallel structured light” terbaru
Parameter
Volume pemindaian
Volume operasi tipikal dari sistem yang digunakan dalam aplikasi metrologi sekitar 100 mm x 100 mm x 20 mm, sementara persyaratan standar untuk solusi bin picking sekitar 1 m3. Ini mungkin terlihat seperti perubahan parameter sederhana, namun, berbagai teknologi mungkin unggul pada volume operasi yang berbeda.
Sementara peningkatan jangkauan di arah XY lebih berkaitan dengan FOV (field of view) dari sistem dan dapat diperpanjang dengan menggunakan lensa yang lebih lebar, perluasan di arah Z membawa masalah menjaga objek tetap fokus. Ini disebut kedalaman bidang. Semakin dalam kedalaman bidang yang diperlukan, semakin kecil aperture kamera (atau proyector) harus. Ini secara kuat membatasi jumlah foton yang mencapai sensor dan oleh karena itu membatasi penggunaan beberapa teknologi untuk rentang kedalaman yang lebih tinggi.
Kami dapat menentukan lima kategori berdasarkan rentang kedalaman bidang:
1. Sangat kecil: hingga 50 mm
2. Kecil: hingga 500 mm
3. Sedang: hingga 1500 mm
4. Besar: hingga 4 m
5. Sangat besar: hingga 100 m
Sementara rentang kedalaman kamera dapat diperpanjang dengan mengurangi aperture, ini akan membatasi jumlah cahaya yang ditangkap (baik dari sumber cahaya dalam sistem aktif maupun dari iluminasi lingkungan). Masalah yang lebih kompleks adalah memperpanjang rentang kedalaman sistem proyeksi aktif, di mana mengurangi aperture akan membatasi sinyal tetapi tidak iluminasi lingkungan. Di sini, sistem proyeksi berbasis laser (seperti sensor 3D Photoneo) unggul karena mampu mencapai volume besar dan praktis untuk aplikasi robot.
Waktu akuisisi & pemrosesan data
Salah satu sumber daya paling berharga dalam pemindaian 3D adalah cahaya. Mendapatkan sebanyak mungkin foton dari sumber cahaya yang benar ke piksel sangat penting untuk rasio sinis-kebisingan pengukuran yang baik. Ini bisa menjadi tantangan untuk aplikasi dengan waktu akuisisi yang terbatas.
Faktor penting lainnya yang mempengaruhi waktu adalah kemampuan teknologi untuk menangkap objek yang bergerak tanpa berhenti (objek di konveyor, sensor yang dipasang pada robot yang bergerak, dst.). Saat mempertimbangkan adegan dinamis, hanya pendekatan “satu tangkapan” yang berlaku (ditandai dengan skor 5 dalam parameter waktu akuisisi data kami). Ini karena pendekatan lain memerlukan beberapa frame untuk menangkap permukaan 3D, sehingga jika objek yang dipindai bergerak atau sensor bergerak, output akan terdistorsi.
Aspek lain yang terkait dengan waktu siklus adalah apakah aplikasi bersifat reaktif dan memerlukan hasil segera (misalnya robotika pintar, pengurutan, dst.) atau cukup untuk memberikan hasil kemudian (misalnya metrologi offline, rekonstruksi tata letak lantai pabrik, digitalisasi tempat kejadian, dst.).
Secara umum, semakin lama waktu akuisisi, semakin tinggi kualitas, dan sebaliknya. Jika pelanggan membutuhkan waktu singkat dan kualitas tinggi, metode “parallel structured light” adalah solusi optimal.
Waktu akuisisi data:
1. Sangat tinggi: menit dan lebih
2. Tinggi: ~5s
3. Sedang: ~2s
4. Pendek: ~500 ms
5. Sangat pendek: ~50 ms
Waktu pemrosesan data:
1. Sangat tinggi: jam dan lebih
2. Tinggi: ~5s
3. Sedang: ~2s
4. Pendek: ~500 ms
5. Sangat Pendek: ~50 ms
Resolusi
Resolusi adalah kemampuan sistem untuk mengenali detail. Resolusi tinggi diperlukan untuk aplikasi di mana ada fitur 3D kecil dalam volume operasi besar.
Tantangan terbesar dalam meningkatkan resolusi di semua sistem berbasis kamera adalah penurunan jumlah cahaya yang mencapai piksel individual. Bayangkan aplikasi pengurutan apel di konveyor. Awalnya, hanya ukuran apel yang merupakan parameter pengurutan. Namun, pelanggan mungkin juga perlu memeriksa keberadaan tangkai. Analisis data akan menunjukkan bahwa seseorang perlu memperluas resolusi sampling objek dua kali untuk mendapatkan data yang diperlukan.
Untuk memperluas resolusi sampling objek dua kali, resolusi sensor citra harus meningkat dengan faktor empat. Ini membatasi jumlah cahaya dengan faktor empat (aliran cahaya yang sama dibagi menjadi empat piksel). Namun, bagian yang sulit adalah kita perlu memastikan kedalaman bidang dari sistem asli. Untuk melakukan itu, kita perlu mengurangi aperture, yang akan membatasi cahaya dengan faktor empat lagi. Ini berarti untuk menangkap objek dengan kualitas yang sama, kita perlu mengekspos mereka selama waktu yang 16 kali lebih lama atau kita perlu memiliki sumber cahaya 16 kali lebih kuat. Ini secara kuat membatasi resolusi maksimum yang mungkin untuk sistem real-time.
Sebagai aturan tangan, gunakan resolusi minimum yang diperlukan untuk dapat menangkap objek yang dipindai dengan cepat. Anda juga akan menghemat waktu berkat waktu pemrosesan yang lebih pendek. Sebagai alternatif, beberapa perangkat (misalnya PhoXi 3D Scanner Photoneo) memiliki kemampuan untuk beralih antara resolusi sedang dan tinggi untuk menyesuaikan kebutuhan aplikasi.
5 kategori berdasarkan rata-rata titik 3D per pengukuran, atau XY-Resolusi:
1. Sangat kecil: ~100k titik
2. Kecil: ~300k titik (VGA)
3. Sedang: ~1M titik
4. Tinggi: ~4M titik
5. Diperluas: ~100M titik
Akurasi & presisi
Akurasi adalah kemampuan sistem untuk mengambil informasi kedalaman. Sementara beberapa teknologi dapat diskalakan untuk mendapatkan pengukuran yang presisi (seperti sebagian besar sistem triangulasi), beberapa tidak karena keterbatasan fisik (seperti sistem time-of-flight).
Kami menyebut ini kedalaman resolusi:
1. Sangat kecil: >10 cm
2. Kecil: ~2 cm
3. Sedang: ~2 mm
4. Tinggi: ~250 um
5. Sangat tinggi: ~50 um
Ketahanan
Ketahanan merujuk pada kemampuan sistem untuk menyediakan data berkualitas tinggi dalam berbagai kondisi cahaya. Misalnya, beberapa sistem bergantung pada cahaya eksternal (seperti cahaya matahari atau cahaya indoor) atau mampu hanya beroperasi dalam tingkat cahaya lingkungan terbatas (cahaya yang bukan bagian dari operasi sistem). Cahaya lingkungan meningkatkan nilai intensitas yang dilaporkan oleh sensor internal dan mengingkatkan kebisingan pengukuran.
Banyak pendekatan mencoba mencapai tingkat resistensi yang lebih tinggi menggunakan matematika (seperti pengurangan level hitam) tetapi teknik ini cukup terbatas. Masalah terletak pada kebisingan tertentu, disebut “shot noise”, atau “quantum noise”. Ini berarti jika sepuluh ribu foton rata-rata mencapai piksel, akar kuadrat dari angka itu – seratus – adalah standar deviasi ketidakpastian.
Masalah terletak pada tingkat iluminasi lingkungan. Jika “shot noise” yang disebabkan oleh iluminasi lingkungan melebihi tingkat sinyal dari iluminasi aktif sistem, kualitas data yang terlihat menurun. Dengan kata lain, iluminasi lingkungan datang dengan kebisingan yang tidak perlu yang pada akhirnya dapat melebihi sinyal yang berguna dan mengganggu kualitas data 3D akhir.
Mari kita definisikan kondisi eksternal di mana perangkat dapat beroperasi:
1. Indoor, ruang gelap
2. Indoor, volume operasi terlindungi
3. Indoor, lampu halogen kuat, dan jendela kaca susu
4. Outdoor, sinar matahari tidak langsung
5. Outdoor, sinar matahari langsung
Saat berbicara tentang ketahanan pemindaian berbagai materi, faktor penentu adalah kemampuan untuk bekerja dengan interrefleksi:
1. Difusi, tekstur baik (batu, …)
2. Difusi (dinding putih)
3. Semi-glossy (aluminium anod)
4. Glossy (kail berkilau)
5. Permukaan seperti cermin (krom)
Desain & konektivitas
Ada beberapa faktor yang mempengaruhi ketahanan fisik sistem visi 3D dan memastikan kinerja tinggi bahkan di lingkungan industri yang menantang. Ini termasuk kalibrasi termal, opsi daya seperti PoE (Power over Ethernet) & 24 V, dan rating IP yang memadai, di mana scanner 3D kelas industri harus bertujuan untuk minimum IP65.
Faktor lain adalah berat dan ukuran perangkat, yang membatasi penggunaannya dalam beberapa aplikasi. Memiliki solusi yang ringan dan kompak, namun kuat akan memungkinkan pelanggan memasangnya di hampir mana saja. Ini adalah alasan PhoXi 3D Scanner memiliki badang serat karbon. Samping stabilitas termal, ini menawarkan berat yang ringan bahkan untuk sistem baseline yang lebih panjang.
1. Sangat berat: >20 kg
2. Berat: ~ 10kg
3. Sedang: ~ 3kg
4. Ringan: ~ 1 kg
5. Sangat ringan: ~ 300 g
Rasio harga/kinerja
Harga sistem visi 3D adalah parameter penting lainnya. Sebuah aplikasi perlu membawa nilai bagi pelanggan. Ini dapat menyelesaikan masalah kritis (mungkin dengan anggaran besar) atau membuat proses lebih hemat (sensitif anggaran).
Beberapa aspek harga terkait dengan teknologi tertentu, yang lain ditentukan oleh volume produksi atau layanan dan dukungan yang disediakan. Beberapa tahun terakhir, pasar konsumen telah membawa teknologi sensing 3D murah dengan memanfaatkan produksi massal. Di sisi lain, teknologi tersebut datang dengan kelemahan seperti kurangnya kemampuan untuk kustomisasi dan upgrade, ketahanan, ketersediaan garis produk, dan dukungan yang terbatas.
Teknologi visi 3D berdasarkan harga:
1. Sangat tinggi: ~100k EUR
2. Tinggi: ~25k EUR
3. Sedang: ~10k EUR
4. Rendah: ~1000 EUR
5. Sangat rendah: ~200 EUR
Sekarang Anda tahu apa saja parameter dasar sistem visi 3D dan peran masing-masing dalam aplikasi tertentu dan untuk tujuan yang berbeda.
Artikel kami berikutnya akan menjelaskan bagaimana teknologi sensing 3D individual berkinerja terhadap parameter ini, apa perbedaan dasar di antara mereka, dan apa keterbatasan serta kelebihan mereka.
