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3D檢測解決方案說明

區別于傳統視覺的全新檢測方式

為何要使用3D檢測方案

我們以前提到的工業視覺檢測技術方案,基本指代的是2D視覺檢測方案,這是一種較為成熟的技術,過去幾十年中,被廣泛應用于自動化和產品質量控制過程中。2D視覺檢測的工作原理是,通過攝像頭拍到一個平面的照片,根據灰度或彩色圖像中對比度的特征,經過圖像分析或比對來識別物體,看到物體一個平面上特征。適應于以下檢測場景:

    • 用于缺失/存在檢測
    • 離散對象分析
    • 圖案對齊
    • 條形碼和光學字符識別(OCR)
    • 基于邊緣檢測的各種二維幾何分析
    • 擬合線條,弧線,圓形及其關系(距離,角度,交叉點等)

正常來說,新技術手段的出現,一定是要解決一些傳統手段無法實現的功能,那么,相對3D檢測來說,2D視覺檢測存在哪些弊病呢?

【1】無法測量3D形狀。2D視覺檢測不支持與形狀相關的測量。 例如,不能夠測量諸如物體平面度,表面角度,部分體積,或者區分相同顏色的物體之類的特征,或者在具有接觸側的物體位置之間進行區分。

【2】易受變量照明條件的影響。由于照明決定了邊緣位置和測量精度,因此2D檢測時視野范圍內的照明變化有時會導致邊緣測量誤差,除非使用特定的技術來補償這種影響。 在工廠條件下,照明變化是生產車間意外環境或現場來源的共同挑戰。

【3】有限的對比度補償。2D視覺檢測依賴于測量物體的對比度(邊緣數據),例如,這意味著它們無法測量黑色背景上的黑色物體,或者在沒有特定光照的情況下區分部分特征來暴露邊緣的存在和定義。

【4】對物體運動敏感。由于元件移動造成的誤差,2D視覺檢測需要沿光軸(Z軸)精確固定,使用尺度不變特征檢測,或者使用大型遠心光學元件(必須與FOV尺寸相匹配)來消除影響。

【5】無法配合機器人。工業機器人在三維世界中工作。遺憾的是,2D技術無法為越來越多用于自動化質量控制的視覺引導機器人(VGR)系統提供必要的深度和空間信息(6自由度)。

2D檢測在非平面產品檢測中實現100%質量控制的能力有限,這是很多企業投資3D檢測方案非常重要的原因。

3D檢測方案的優勢

3D檢測通過添加描述形狀的第二層數據來建立在2D的成熟功能上,這對于設計高度可靠的測量系統至關重要。3D檢測系統有其獨有的特點:

【1】豐富的數據采集:3D測量產生2D系統不能的形狀信息。 因此,可以測量與形狀相關的特征,例如物體平直度,表面角度和體積。

【2】測量穩定性:3D檢測中的所有組件都被牢固地安裝在單個光機械組件上,以確保重復性,焦距相對于發射器和成像器平面鎖定在位,并且包括溫度補償功能,以便糾正由于金屬蠕變而引起的移動。

【3】精度和重復性:利用3D檢測提供的深度測量信息,由于物體位置(距傳感器的距離)而導致的誤差不再可能,這意味著物體可以在傳感器的測量體積內的任何位置移動,并仍能得到準確的結果。 這簡化了物體固定要求,并降低了系統設計和維護成本。

【4】多傳感器拼接:3D檢測的另一個好處是能夠使用已知的偽像將來自相對較少的多個掃描儀的3D點云拼接在一起,從而校準到通用坐標系。 例如,可以用多個掃描儀掃描諸如卡車框架的大物體。 定位和對準數以百計的二維相機,并使用攝影測量法來生成三維模型要比使用少量高精度的三維掃描儀更加復雜和不準確。

【5】精密機器人指導:工業機器人在三維世界中工作。 盲人機器人僅限于執行重復和結構化的任務。 3D視覺檢測技術使機器人能夠感知其物理環境的變化,并相應地進行調整,從而在基本應用中提高了靈活性,實用性和速度,例如拾放。

3D視覺檢測具有以下優點

① 在線檢測快速移動的目標物,獲取形狀和對比度
② 消除手動檢查帶來的錯誤
③ 實現部件和裝配的100%在線質量控制
④ 最大限度地縮短檢測周期和召回
⑤ 最大限度地提高生產質量和生產量
⑥ 對比度不變,是檢查低對比度物體的理想選擇
⑦ 對較小的照明變化或環境光不敏感
⑧ 建立大型物體檢測的多傳感器設置更簡單

正是3D檢測的獨有特點和多種優勢,使得3D檢測技術在工業檢測界越來越火。

3D檢測的技術分類

目前市場上主流的有四種3D視覺技術:雙目視覺、TOF、結構光和激光三角測量。

雙目技術是目前較為廣泛的3D視覺系統。它的原理就像我們人的兩只眼睛,用兩個視點觀察同一景物,以獲取在不同視角下的感知圖像,然后通過三角測量原理計算圖像的視差,來獲取景物的三維信息。由于雙目技術原理簡單,不需要使用特殊的發射器和接收器,只需要在自然光照下就能獲得三維信息,所以雙目技術具有系統結構簡單、實現靈活和成本低的優點,適合于制造現場的在線、產品檢測和質量控制。不過雙目技術的劣勢是算法復雜,計算量大,而且光照較暗或者過度曝光的情況下效果差。

第二個技術TOF飛行時間法成像技術TOF是Time Of Flight的簡寫,它的原理通過給目標物連續發送光脈沖,然后用傳感器接收從物體返回的光,通過探測光脈沖的飛行時間來得到目標物距離。TOF的核心部件是光源和感光接收模塊。由于TOF是根據公式直接輸出深度信息,不需要用類似雙目視覺的算法來計算,所以具有響應快、軟件簡單、識別距離遠的特點,而且由于不需要進行灰度圖像的獲取與分析,因此不受外界光源物體表面性質影響。不過TOF技術的缺點分辨率低、不能精密成像、而且成本高。

第三種技術是3D結構光技術它通過一個光源投射出一束結構光,這結構光可不是普通的光,而是具備一定結構(比如黑白相間)的光線,打到想要測量的物體上表面。因為物體有不同的形狀,會對這樣的一些條紋或斑點發生不同的變形,有這樣的變形之后,通過算法可以計算出距離、形狀、尺寸等信息,從而獲得物體的三維圖像。由于3D結構光技術,既不需要用很精準的時間延時來測量,又解決雙目中匹配算法的復雜度和魯棒性問題,所以具有計算簡單、測量精度較高的優勢。而且對于弱光環境、無明顯紋理和形狀變化的表面,同樣都可進行精密測量,所以越來越多的3D視覺高端應用采用結構光技術

第四種技術是和結構光類似的激光三角測量法它基于光學三角原理,根據光源、物體和檢測器三者之間的幾何成像關系,來確定空間物體各點的三維坐標。通常用激光作為光源,用CCD相機作為檢測器。具有結構光3D視覺的優點,精準、快速、成本低。不過,由于根據三角原理計算,被測物體越遠,在CCD 上的位置差別就越小,所以三角測量法在近距離下的精度很高,但是隨著距離越來越遠,其測量的精度會越來越差。

我司提供的3D檢測方案

我司多年從事雙目視覺、結構光柵等技術研究,形成多種成熟系統,可為各類3D需求提供解決方案。

    • 3D數模對比
    • 3D模型修正
    • 3D參考設計
    • 3D尺寸檢測
    • 3D瑕疵檢測
    • 零件全尺寸檢測
    • 3D關鍵點檢測
    • 3D抓取與控制
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