Sistem penglihatan 3D – mana yang tepat untuk Anda?
Parameter dasar untuk dilihat
Visi mesin adalah salah satu kekuatan pendorong otomasi industri. Untuk waktu yang lama, ini terutama didorong oleh peningkatan dalam penginderaan gambar 2D dan untuk beberapa aplikasi, metode 2D masih merupakan pilihan yang optimal.
Namun, sebagian besar tantangan yang dihadapi visi mesin saat ini adalah karakter 3D. Oleh karena itu, artikel ini membahas metode yang memberdayakan sistem penglihatan 3D, memungkinkan penangkapan permukaan 3D .
Sementara pasar menawarkan berbagai solusi sensor 3D, kita perlu memahami perbedaan antara mereka dan kesesuaiannya untuk aplikasi tertentu. Penting untuk disadari bahwa pada akhirnya tidak mungkin untuk mengembangkan solusi optimal yang akan memenuhi semua kebutuhan .
Artikel ini berfokus pada parameter paling penting dari sistem penglihatan 3D yang harus dipertimbangkan saat memilih solusi untuk aplikasi tertentu, dan apa untungnya jika beberapa parameter agak tinggi . Setiap parameter dibagi menjadi 5 level untuk perbandingan yang lebih baik dari masing-masing teknologi dan kemungkinan yang disediakannya.
Artikel kami berikutnya akan lihat teknologi penginderaan 3D secara mendetail dan diskusikan keuntungan serta keterbatasannya terkait dengan parameter pemindaian.
Teknologi yang mendukung sistem penglihatan 3D dapat dibagi ke dalam kategori berikut:
A. Waktu terbang
B. Metode berbasis triangulasi
- Triangulasi laser (atau profilometri)
- Fotogrametri
- Penglihatan stereo (pasif dan aktif)
- Cahaya terstruktur (satu bingkai, beberapa bingkai)
- Teknologi baru “lampu berstruktur paralel”
Parameter
Volume pemindaian
Volume pengoperasian umum sistem yang digunakan dalam aplikasi metrologi adalah sekitar 100 mm x 100 mm x 20 mm, sedangkan persyaratan standar untuk solusi pengambilan bin adalah sekitar. 1 m
3
. Ini mungkin terlihat seperti perubahan parameter yang sederhana, namun, teknologi yang berbeda mungkin unggul pada volume pengoperasian yang berbeda .
Sementara peningkatan jangkauan dalam arah XY lebih terkait dengan FOV (bidang pandang) sistem dan dapat diperluas dengan menggunakan lensa yang lebih lebar, perluasan dalam arah Z menimbulkan masalah dalam mempertahankan fokus objek. Ini disebut kedalaman bidang . Semakin dalam kedalaman bidang harus, semakin kecil bukaan kamera (atau proyektor) harus. Hal ini sangat membatasi jumlah foton yang mencapai sensor sehingga membatasi penggunaan beberapa teknologi untuk rentang kedalaman yang lebih tinggi.
Kita dapat menentukan lima kategori berdasarkan kedalaman rentang 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
Meskipun rentang kedalaman kamera dapat diperluas dengan mengurangi apertur, ini akan membatasi jumlah cahaya yang ditangkap (baik dari sumber cahaya dalam sistem aktif maupun dari pencahayaan sekitar). Masalah yang lebih kompleks adalah memperluas jangkauan kedalaman sistem proyeksi aktif, di mana pengurangan apertur hanya akan membatasi sinyal tetapi bukan iluminasi sekitar. Di sini, sistem proyeksi berbasis laser (seperti sensor 3D Photoneo) unggul karena mampu mencapai volume yang besar dan praktis untuk aplikasi robot.
Akuisisi data &waktu pemrosesan
Salah satu sumber daya paling berharga dalam pemindaian 3D adalah cahaya. Mendapatkan sebanyak mungkin foton dari sumber cahaya yang benar menjadi piksel sangat penting untuk rasio sinyal-ke-noise yang baik dari pengukuran . Ini bisa menjadi tantangan untuk aplikasi dengan waktu akuisisi yang terbatas.
Faktor penting lain yang memengaruhi waktu adalah kemampuan teknologi untuk menangkap objek bergerak tanpa henti (objek di sabuk konveyor, sensor yang terpasang pada robot yang bergerak, dll.). Saat mempertimbangkan adegan dinamis, hanya “pendekatan sekali jepret” yang berlaku (ditandai dengan skor 5 pada parameter waktu akuisisi data kami). Ini karena pendekatan lain memerlukan banyak bingkai untuk menangkap permukaan 3D, sehingga jika objek yang dipindai bergerak atau sensor bergerak, hasilnya akan terdistorsi.
Aspek lain yang terkait dengan waktu siklus adalah apakah aplikasi bersifat reaktif dan memerlukanhasil instan (mis. robot pintar, penyortiran, dll.) atau cukup untuk mengirimkan hasilnya nanti (mis. metrologi offline, rekonstruksi denah pabrik, digitalisasi TKP, dll.).
Secara umum, semakin lama waktu akuisisi, semakin tinggi kualitasnya, begitu pula sebaliknya. Jika pelanggan membutuhkan waktu singkat dan kualitas tinggi, metode “lampu terstruktur paralel” adalah solusi optimal.
Waktu akuisisi data:
1. Sangat tinggi:menit dan lebih
2. Tinggi:~5 detik
3. Sedang:~2d
4. Pendek:~500 md
5. Sangat singkat:~50 md
Waktu pemrosesan data:
1. Sangat tinggi:berjam-jam dan lebih
2. Tinggi:~5 detik
3. Sedang:~2d
4. Pendek:~500 md
5. Sangat Singkat:~50 md
Resolusi
Resolusi adalah kemampuan sistem untuk mengenali detail . Resolusi tinggi diperlukan untuk aplikasi yang memiliki fitur 3D kecil dalam volume pengoperasian yang besar.
Tantangan terbesar dalam meningkatkan resolusi di semua sistem berbasis kamera adalah penurunan jumlah cahaya yang mencapai masing-masing piksel. Bayangkan aplikasi penyortiran apel di ban berjalan. Awalnya, hanya ukuran apel yang menjadi parameter penyortiran. Namun, pelanggan mungkin juga perlu memeriksa keberadaan tangkai. Analisis data akan menunjukkan bahwa seseorang perlu memperluas resolusi pengambilan sampel objek dua kali untuk mendapatkan data yang diperlukan.
Untuk meningkatkan resolusi pengambilan sampel objek dua kali lipat, resolusi sensor gambar harus ditingkatkan empat kali lipat. Ini membatasi jumlah cahaya dengan faktor empat (aliran cahaya yang sama dibagi menjadi empat piksel). Namun, bagian tersulitnya adalah kita perlu memastikan depth of field dari sistem aslinya. Untuk melakukannya, kita perlu mengurangi bukaan, yang akan membatasi cahaya dengan faktor empat lainnya. Ini berarti bahwa untuk menangkap objek dengan kualitas yang sama, kita perlu memaparkannya ke waktu enam belas kali lebih lama atau kita perlu memiliki sumber cahaya enam belas kali lebih kuat. Ini sangat membatasi resolusi maksimum yang mungkin dari sistem real-time.
Sebagai aturan praktis, gunakan resolusi minimum yang diperlukan agar dapat menangkap objek yang dipindai dengan cepat. Anda juga akan menghemat waktu berkat waktu pemrosesan yang lebih singkat. Sebagai alternatif, beberapa perangkat (mis. Photoneo's PhoXi 3D Scanner) memiliki kemampuan untuk beralih antara resolusi sedang dan tinggi agar sesuai dengan kebutuhan aplikasi.
5 kategori menurut rata-rata poin 3D per pengukuran , atauResolusi-XY :
1. Sangat kecil:~100 ribu poin
2. Kecil:~300k poin (VGA)
3. Sedang:~1 juta poin
4. Tinggi:~4 juta poin
5. Diperpanjang:~100 juta poin
Akurasi &presisi
Akurasi adalah kemampuan sistem untuk mengambil informasi kedalaman. Sementara beberapa teknologi dapat diskalakan untuk mendapatkan pengukuran yang tepat (seperti kebanyakan sistem triangulasi), beberapa tidak karena keterbatasan fisik (seperti sistem waktu penerbangan).
Kami menyebutnya resolusi kedalaman :
1. Sangat kecil:>10 cm
2. Kecil:~2 cm
3. Sedang:~2 mm
4. Tinggi:~250 um
5. Sangat tinggi:~50 um
Kekokohan
Ketangguhan mengacu pada kemampuan sistem untuk menyediakan data berkualitas tinggi dalam berbagai kondisi pencahayaan. Misalnya, beberapa sistem mengandalkan cahaya eksternal (seperti sinar matahari atau pencahayaan dalam ruangan) atau hanya dapat beroperasi dalam tingkat cahaya sekitar yang terbatas (cahaya yang bukan merupakan bagian dari pengoperasian sistem). Cahaya sekitar meningkatkan nilai intensitas yang dilaporkan oleh sensor internal dan meningkatkan kebisingan pengukuran .
Banyak pendekatan mencoba mencapai tingkat ketahanan yang lebih tinggi menggunakan matematika (seperti pengurangan tingkat hitam) tetapi teknik ini agak terbatas. Masalahnya terletak pada noise tertentu, yang disebut "noise tembakan", atau "noise kuantum" . Artinya, jika rata-rata sepuluh ribu foton mencapai satu piksel, akar kuadrat dari angka tersebut – seratus – adalah standar deviasi ketidakpastian .
Masalahnya terletak pada tingkat pencahayaan sekitar. Jika "noise bidikan" yang disebabkan oleh pencahayaan sekitar melebihi tingkat sinyal dari pencahayaan aktif sistem, kualitas data yang terlihat menurun . Dengan kata lain, iluminasi ambien disertai dengan derau yang tidak perlu yang pada akhirnya dapat melebihi sinyal yang berguna dan dengan demikian mengganggu kualitas data 3D akhir.
Mari tentukan kondisi eksternal tempat perangkat dapat beroperasi:
1. Di dalam ruangan, ruangan gelap
2. Di dalam ruangan, volume pengoperasian terlindung
3. Di dalam ruangan, lampu halogen yang kuat, dan jendela kaca susu
4. Di luar ruangan, sinar matahari tidak langsung
5. Di luar ruangan, sinar matahari langsung
Saat berbicara tentang kekokohan memindai berbagai materi , faktor yang menentukan adalah kemampuan untuk bekerja dengan interrefleksi:
1. Material yang menyebar dan bertekstur baik (batuan, …)
2. Bahan difusi (dinding putih)
3. Bahan semi-mengkilap (aluminium anodized)
4. Bahan mengkilap (baja yang dipoles)
5. Permukaan seperti cermin (chrome)
Desain &konektivitas
Ada beberapa faktor yang memengaruhi ketahanan fisik sistem penglihatan 3D dan memastikan kinerjanya yang tinggi bahkan di lingkungan industri yang menantang. Ini termasuk kalibrasi termal, opsi daya seperti PoE (Power over Ethernet) &24 V, dan peringkat IP yang memadai, di mana pemindai 3D tingkat industri harus menargetkan IP65 minimum.
Faktor lainnya adalah berat dan ukuran perangkat, yang membatasi penggunaannya di beberapa aplikasi. Memiliki solusi yang ringan dan kompak, namun kuat akan memungkinkan pelanggan untuk memasangnya di mana saja. Inilah alasan mengapa Pemindai 3D PhoXi menampilkan badan serat karbon . Di samping stabilitas termal, ia menawarkan bobot 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 penglihatan 3D adalah parameter penting lainnya. Sebuah aplikasi perlu membawa nilai kepada pelanggan. Itu bisa memecahkan masalah kritis (mungkin yang beranggaran besar) atau membuat proses lebih ekonomis (peka anggaran).
Beberapa aspek harga terkait dengan teknologi tertentu, yang lainnya ditentukan oleh volume produksi atau layanan dan dukungan yang diberikan. Dalam beberapa tahun terakhir, pasar konsumen telah menghadirkan teknologi penginderaan 3D murah dengan memanfaatkan produksi massal . Di sisi lain, teknologi semacam itu memiliki kelemahan seperti kurangnya kemungkinan penyesuaian dan peningkatan, ketahanan, ketersediaan lini produk, dan dukungan yang terbatas .
teknologi penglihatan 3D berdasarkan harganya :
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 parameter dasar sistem penglihatan 3D dan peran yang dimainkan masing-masing dalam aplikasi tertentu dan untuk tujuan yang berbeda.
Artikel kami berikutnya akan menjelaskan bagaimana kinerja masing-masing teknologi penginderaan 3D terkait dengan parameter ini, apa perbedaan mendasar di antara keduanya, dan apa keterbatasan serta kelebihannya.
